‘나의 문어 선생님’이란 다큐멘터리 영화의 제목이 빈말은 아니었다. 과학자들이 문어의 빨판에서 약물을 피부 깊숙이 전달하는 방법을 배웠다. 주사를 맞지 않고도 쉽게 약물을 투여할 길이 열린 것이다. 이미 동물실험에서 효과적으로 약물을 전달하는 효과를 확인해 상용화 속도가 빨라질 것으로 기대된다. 수술실이나 해저 발굴 현장에는 물속에서도 미끄러지지 않는 문어 빨판 장갑이 도움을 줄 수 있다.
문어 빨판 모방은 한국 과학자들이 주도하고 있다. 성균관대 화학공학부의 방창현 교수와 약대 김기현 교수 연구진은 “문어의 빨판을 모방한 약물전달 패치를 개발해 동물과 사람 피부에서 안전성과 효능을 확인했다”고 1일 밝혔다. 연구 결과는 ‘미국 화학회 나노(ACS Nano)’지 표지논문으로 선정돼, 지난 22일 인터넷에 먼저 공개됐다. 논문 제1 저자는 성대 화학공학부 박사과정의 이지현 연구원이다.
◇약물 투과 어려운 각질층도 통과
피부로 약물을 전달하는 방법은 간편하고 원하는 곳에만 사용할 수 있지만, 효과는 제한적이다. 피부가 원래 인체를 보호하는 역할을 갖고 있어 외부 물질이 침투하기 어렵기 때문이다. 특히 밀도가 높은 각질층은 약물이 잘 침투하지 못한다.
연구진은 문어의 빨판 구조를 모방해 피부 각질층의 구조를 변형시키는 흡착 컵을 개발했다. 앞서 2017년 방창현 교수는 네이처지에 문어 빨판 내부에 있는 입체 돌기 구조가 접착력의 원동력임을 밝혔다. 문어 빨판을 보면 돔 구조 안에 둥근 돌기가 있다. 마치 컵 안에 공을 하나 넣어둔 것과 흡사하다.
연구진은 문어 빨판을 모방한 돔형 흡착 컵을 만들었다. 컵을 표면에 대고 누르면 표면의 수분을 옆으로 밀어내지만, 일부는 돌기의 옆을 통해 안쪽으로 올라간다. 그 뒤 컵에서 힘을 빼면 돌기와 물체 사이에 수분이 있던 공간이 비어 진공 상태가 된다. 흡입력이 발생하는 음압 환경이 구현되는 것이다.
이번에 발표한 패치는 한쪽 면에 지름 3㎜인 흡착 컵들이 붙어있는 형태이다. 패치를 붙이면 피부에 바른 약물이 이전보다 훨씬 깊숙한 곳까지 스며든다. 흡착 컵이 만든 음압 덕분에 피부 각질층의 구조가 변형되기 때문이다. 연구진은 “패치의 음압에 의해 각질층 사이에 미세한 공간이 발생하는 것을 투과전자현미경으로 관찰했다”고 밝혔다. 그만큼 약물이 더 깊숙한 곳까지 전달될 수 있다.
연구진은 생쥐 피부에 아토피를 유발하고 흡착 컵 패치로 치료용 천연물을 전달할 수 있는지 실험했다. 28일이 지나자 피부가 깨끗해졌다. 연구진은 그냥 피부에 약을 바르는 것보다 치료 효과가 더 높았다고 밝혔다. 사람 피부에서도 약물전달 효과를 확인했다.
이번 연구에는 한국과학기술연구원(KIST) 천연물연구소의 김수남 박사와 성균관대 화학공학부 김진웅 교수, 포항공대 화학과 이기라 교수도 참여했다. 방창현 교수는 “문어 빨판을 모방한 패치는 의약품뿐 아니라 화장품에도 적용할 수 있다”고 말했다. 연구진은 교내 창업기업인 미메틱스에 약물전달 패치 기술을 이전하고 제품화를 진행하고 있다.
◇입안에 붙이는 흡착 컵도 나와
스위스 과학자들은 문어 빨판을 모방해 입안에 붙이는 약물전달 패치를 개발했다. 취리히 연방공대의 장크리스토프 르루(Jean-Christophe Leroux) 교수는 지난해 국제학술지 ‘사이언스 중개의학’에 “문어 빨판에서 영감을 받아 사람 뺨 안쪽에 붙이는 약물 패치를 개발했다”고 밝혔다. 흡착 컵은 가로 11㎜, 세로 6㎜이고, 구조는 한국 과학자들이 개발한 것과 비슷하다.
연구진은 입 안쪽 점막이 사람과 비슷한 개인 비글로 패치를 실험했다. 흡착 컵 안에 항이뇨제인 데스모프레신(desmopressin)을 넣었다. 단백질이나 그 조각인 펩타이드 약물은 분자가 커서 먹는 약으로 흡수하기 어렵다. 대부분 주사로 혈관에 바로 주입한다. 데스모프레신은 먹는 약으로 투여할 수 있는 몇 안 되는 펩타이드 약물 중 하나이다.
3시간 흡착 컵을 쓰자 약물 중 16.4%가 실제로 인체에서 활용되는 것으로 나타났다. 이는 기존 먹는 약의 0.12%보다 훨씬 높은 수치다. 흡착 컵 사용 시간을 10분으로 줄여도 약물의 생체 이용률이 3.2%로 기존 약보다 높았다. 연구진은 입 안쪽 조직이 흡착 컵 안에서 275% 늘어나 약물이 침투할 표면적도 그만큼 늘어난다고 설명했다.
르루 교수는 “당뇨병이나 비만 약물도 주사 대신 패치로 전달할 수 있다”며 “혈당을 조절하는 인슐린은 소화기관에서 분해되는 문제가 있는데 흡착 패치를 쓰면 이를 최소화할 수 있다”고 밝혔다. 정기적으로 약물을 주사해야 하는 어린이들에게도 도움이 될 수 있다. 연구진은 장차 성장호르몬 주사를 패치로 바꿀 수 있다고 기대했다.
◇수중 작업용 문어 장갑도 등장
문어 빨판을 모방한 기술은 약물전달을 넘어 다양한 곳에 퍼지고 있다. 말 그대로 문어발식 확장을 하고 있다. 먼저 물건을 옮기거나 붙잡는 데 쓸 수 있다. 방창현 성대 교수 연구진은 문어 빨판을 모방한 접착 패치로 반도체 공정에서 쓰는 8인치 웨이퍼를 물속에서 이동하는 실험에도 성공했다.
문어를 모방하면 물속이나 축축한 곳에서도 미끄러운 물체를 잡을 수 있다. 미국 버지니아 공대의 마이클 바틀릿(Michael Bartlett) 교수 연구진은 지난 2022년 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스’에 “문어가 물속에서 자유자재로 물체를 감거나 잡는 원리를 모방해 수중 작업용 문어 장갑을 개발했다”고 밝혔다.
문어는 다리 8개에 있는 빨판 2000여개로 산호를 잡고 조개를 집는다. 연구진은 화장실 청소봉 형태의 빨판을 장갑에 붙였다. 장갑 내부 공기를 빨아들이면 음압이 발생해 물체에 달라붙는다.
연구진은 빨판 옆에 레이저 거리 측정계인 라이다 센서도 붙였다. 레이저 반사파가 빨리 돌아오면 물체가 근접했다고 보고 바로 빨판에 음압을 건다. 덕분에 장갑을 물체에 대기만 하면 빨판이 저절로 달라붙는다. 연구진은 “해저 유물 발굴이나 의료 현장처럼 물속이나 젖은 환경에서 일하는 사람들에게 도움이 될 것”이라고 밝혔다.
문어 빨판은 필요할 때만 달라붙는 접착 센서나 얇은 물질을 기판에 옮기는 프린팅 기술이 될 수도 있다. 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 고현협 교수와 KIST 김형준 박사는 지난 2016년 ‘어드밴스드 머티리얼’에 문어 빨판을 모방해 웨어러블(wearavle·착용형) 건강 센서에 쓸 수 있는 접착 패드를 개발했다고 발표했다.
문어는 근육으로 빨판의 두께를 달리해 접착력을 조절한다. 빨판 벽이 얇으면 내부 압력이 낮아져 잘 달라붙고, 두꺼워지면 잘 떨어진다. 연구진은 온도로 빨판을 모방한 패드의 접착력을 조절했다. 접착 패드는 온도가 섭씨 32도를 넘으면 얇아져서 잘 달라붙고 낮은 온도에서는 두꺼워져 잘 떨어진다.
연구진은 “접착 패드를 밴드 형식의 웨어러블 건강 센서에 쓰면 정상 체온에서는 피부에 달라 붙지만 찬물에 헹구면 떨어질 수 있다”며 “접착 패드를 프린팅 공정에 이용하면 얇은 물질도 손상 없이 원하는 기판에 옮길 수 있다”고 밝혔다.
참고 자료
ACS Nano(2024), DOI: https://doi.org/10.1021/acsnano.3c09304
Science Translational Medicine(2023), DOI: https://doi.org/10.1126/scitranslmed.abq1887
Science Advances(2022), DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.abq1905
Nature(2017), DOI: https://doi.org/10.1038/nature22382
Advanced Materials(2016), DOI: https://doi.org/10.1002/adma.201601407