바이오마커 활성화형 약물 방출을 위한 생화학 논리 회로

알지네이트 코어(core)는 (Fe³⁺) 이온에 의해 교차 결합(cross‑linked)된 알지네이트 매트릭스(matrix)로 구성되었으며, 여기에는 약물을 모방하는 로다민 6G(rhodamine 6G) 염료가 적재되었다. 로다민 6G는 형광 특성을 가지고 있어, 약물 방출 과정을 실시간으로 시각화하고 정량화하는 데에 유용한 모델 물질로 활용된다. 코어 내부에 적재된 염료는 ALT와 AST 두 바이오마커가 모두 병리학적 고농도(pathophysiological high concentrations)로 동시에 존재할 때에만 방출된다. 이는 두 효소가 각각 알라닌과 아스파트산을 해당 아미노산으로 전환시키는 반응을 촉진하고, 그 결과 생성된 시트레이트가 보호 쉘을 투과하여 알지네이트 매트릭스를 붕괴시킴으로써 염료가 외부 환경으로 확산되는 메커니즘에 기반한다.

신호‑유도 반응(signal‑triggered response)은 단일 마이크로스피어 수준에서 정밀하게 조사되었다. 이를 위해 형광 현미경(fluorescence microscopy)과 시간‑분해 광학 측정(time‑resolved optical spectroscopy)을 결합한 방법을 사용하여, 각 마이크로스피어에서 로다민 6G의 방출 속도와 총 방출량을 실시간으로 기록하였다. 실험 결과, ALT와 AST가 모두 고농도로 존재하는 경우에만 급격한 형광 강도 상승이 관찰되었으며, 이는 염료가 코어에서 빠르게 방출됨을 의미한다. 반면, 두 효소 중 하나만 낮은 농도로 존재하거나 둘 다 결핍된 경우에는 형광 변화가 미미하거나 거의 발생하지 않아, 시스템이 높은 특이도와 낮은 배경 방출(background leakage)을 유지함을 확인할 수 있었다.

이와 같은 바이오‑논리 회로(bio‑logic circuit)와 약물 방출 매커니즘의 결합은, 간 손상과 같은 특정 병리학적 상태를 정확히 감지하고, 그에 대응하는 치료제(또는 치료제 모사 물질)를 현장(local)에서 즉시 방출할 수 있는 새로운 형태의 스마트 약물 전달 플랫폼을 제시한다. 특히, 층‑별 폴리(L‑라이신)/알지네이트 보호 쉘은 생체 적합성(biocompatibility)과 동시에 물리적·화학적 차단(barrier) 역할을 수행함으로써, 비특이적 방출을 최소화하고 목표 신호에 대한 반응성을 극대화한다. 또한, Fe³⁺ 교차 결합을 이용한 알지네이트 코어는 비교적 낮은 pH 환경에서도 안정성을 유지하면서도, 시트레이트와 같은 특정 화학 신호에 의해 선택적으로 분해될 수 있는 설계적 장점을 제공한다.

향후 연구에서는 이 시스템을 실제 약물(예: 항염증제, 항바이러스제 등)으로 대체하고, 동물 모델에서 간 손상 유도 실험을 수행함으로써, 임상 적용 가능성을 평가할 계획이다. 또한, 다른 바이오마커(예: 알파‑페토프로테인, C‑반응성 단백질 등)를 이용한 다중‑입력 논리 게이트(multi‑input logic gate) 구현을 통해, 복합적인 질병 상태를 동시에 감지하고 맞춤형 치료를 제공하는 고도화된 바이오‑컴퓨팅 기반 약물 전달 시스템을 개발하고자 한다.

요약하면, 본 연구는 (1) ALT와 AST라는 두 간 손상 바이오마커를 이용한 Boolean AND 논리 게이트 구현, (2) 시트레이트에 의해 트리거되는 약물 모사 방출 메커니즘, (3) 층‑별 폴리(L‑라이신)/알지네이트 보호 쉘을 통한 신호 구분 및 방출 제어, (4) 단일 마이크로스피어 수준에서의 방출 동역학 정량 분석이라는 네 가지 핵심 요소를 통합함으로써, 신호‑특이적 스마트 약물 전달 플랫폼의 가능성을 입증하였다. 이러한 접근법은 향후 정밀 의학(precision medicine) 및 바이오‑컴퓨팅 기반 치료 전략 개발에 중요한 토대를 제공할 것으로 기대된다.