베트남 과학자 응우옌 득 타인, 연구비 2,500만 달러 지원받아 생분해성 의료기기 개발

작은 패치에 담긴 백신 접종 일정

쥐를 대상으로 시험한 패치는 폐렴구균 백신 프리베나-13을 며칠에서 한 달 이상 간격으로 설정된 일정에 따라 투여했다. 동물들은 여러 차례 주사를 맞은 경우와 비슷한 면역 반응을 보였고, 치명적인 세균 감염에도 살아남았다. 이 연구를 이끄는 응우옌 득 타인은 코네티컷대학교에서 연구를 수행하는 베트남 과학자로, 맡은 일을 마친 뒤 체내에서 사라지도록 설계된 의료기기 연구로 수백만 달러의 연구비를 유치했다.

과학 학술지에서는 타인 D. 응우옌이라는 이름으로 알려진 그는 기계공학, 생의공학, 재료과학 분야에서 활동하는 부교수다. 그의 연구에는 백신 패치, 손상된 뼈의 치유를 돕기 위한 구조물, 항암제가 뇌종양에 도달하도록 돕는 생분해성 초음파 기기가 포함된다.

코네티컷대학교는 응우옌이 2016년 부임한 뒤 연구비 2,500만 달러를 유치했다고 밝혔다. 2024년 10월까지 공개된 연구비 내역에는 미국 국립보건원(NIH)의 R01 연구비 4건에서 받은 950만 달러 이상과 빌 앤드 멀린다 게이츠 재단이 승인한 연구비 2건에서 받은 660만 달러가 포함됐다.

이 연구의 핵심 아이디어는 서로 달라 보이는 여러 의료 문제를 연결한다. 약물을 전달하거나 전기 신호 또는 초음파를 만들어 내는 재료를 만든 뒤, 체내에서 분해되도록 하는 것이다. 환자에게 기대되는 혜택은 백신 접종을 위한 병원 방문 횟수를 줄이는 것부터 임플란트 제거 수술을 피하는 것까지 다양하다.

가장 구체적으로 발표된 증거는 백신 패치에 관한 것이다. 응우옌은 2020년 11월 23일 온라인에 공개돼 2021년 권에 실린 네이처 바이오메디컬 엔지니어링의 마이크로니들 백신 연구에서 교신저자를 맡았다. 연구진은 쥐를 대상으로 이 기술을 시험했으며, 사람의 정기 예방접종에 사용하는 것은 여전히 개발 목표다.

다낭에서 코네티컷의 연구실까지

응우옌은 1984년 베트남 중부 다낭에서 태어났다. 영재학교인 레꾸이돈 고등학교에서 물리학을 공부한 뒤 하노이과학기술대학교 공학물리학 영재 프로그램에 진학했다.

2007년 졸업한 그는 2008년 베트남 교육재단 장학금을 받아 프린스턴대학교에서 박사 과정을 밟았다. 2013년 박사 학위를 취득한 뒤 매사추세츠공과대학교(MIT)에서 박사후 연구원으로 일했다.

그의 학문적 여정은 역학과 항공우주공학에서 생의학 기술로 이어졌다. 2016년 기계공학과와 생의공학과에 합류한 코네티컷대학교에서 그는 생체재료, 약물, 백신, 재생의학, 소형 의료기기를 연구하는 실험실을 꾸렸다. 2022년 부교수로 승진했다.

몇 가지 날짜를 통해 연구의 발전 과정을 살펴볼 수 있다.

• 2017년: 응우옌이 젊은 연구자를 위한 NIH 트레일블레이저상을 받았다.
• 2018년: 그의 연구실이 의료 분야에 활용할 수 있는 생분해성 압전 고분자 기술을 발표했다.
• 2020년 11월 23일: 프로그램형 백신 패치 연구가 온라인에 공개됐다.
• 2022년 8월 30일: 응우옌과 칸 트란의 이름이 기재된 코어-셸 마이크로니들 특허가 등록됐다.
• 2024년: 응우옌이 미국 발명가 아카데미의 시니어 회원으로 선출됐다.

패치 하나로 여러 차례 방문을 줄이는 방법

응우옌의 백신 패치는 엄지손가락 끝 정도 크기로, 매우 작은 바늘 수백 개가 들어 있다. 기존 주사기로 각 회분을 따로 투여하는 대신 한 번 패치를 붙여 피부에 소량의 백신을 전달한다.

각 마이크로니들의 중심부에는 백신이 들어 있고, 바깥쪽은 폴리(락트산-코-글리콜산), 즉 PLGA라는 생분해성 고분자로 된 껍질이 둘러싼다. 연구진은 크기가 매우 작은 이 구성 요소를 제작해 배열하고, 분해 속도가 서로 다른 껍질이 내용물을 각기 다른 시점에 방출하도록 한다.

목표는 별도의 주사를 여러 번 맞는 것과 비슷하게, 정해진 시간에 여러 차례 백신이 방출되도록 하는 것이다. 한 회분은 짧은 지연 뒤 방출하고, 다른 회분은 더 늦게 방출될 때까지 껍질 안에 남겨둘 수 있다. 껍질의 설계와 재료 특성을 바꾸면 방출 일정을 조절할 수 있다.

당시 코네티컷대학교 공대 조교수였던 응우옌은 환자에게 기대되는 이점을 이렇게 설명했다.

환자는 백신 접종 일정을 기억할 필요가 없을 겁니다.” 응우옌은 말했다. “백신을 반복해서 맞기 위해 패치를 다시 붙일 필요도 없을 겁니다.

쥐를 대상으로 한 연구에서는 폐렴구균에 대항하는 프리베나-13을 사용했다. 반복 주사와 비교한 것은 실용적인 목표가 보호 효과를 유지하면서 치료를 받으러 다시 와야 하는 횟수를 줄이는 것이기 때문이다.

방문 횟수가 줄어들면

병원에서 멀리 떨어져 사는 가족은 백신 접종 과정을 마치기 위해 교통편을 마련하고, 직장에서 시간을 내며, 서로 다른 날짜에 여러 번 병원을 찾아야 할 수 있다. 접종 일정에 맞춰 백신을 전달하는 패치는 이동 횟수와 이후 접종을 놓칠 가능성을 줄일 수 있다.

응우옌의 접근법은 마이크로니들 연구라는 더 넓은 분야에 속한다. 조지아공대 약물 설계·개발·전달 센터장인 마크 프라우스니츠는 독감과 홍역 백신 패치를 연구해 왔다. 그는 짧은 바늘이 일반 주사바늘만큼 길지 않아도 피부의 얇은 바깥층을 통과할 수 있다고 설명한다.

일부 마이크로니들 제형은 냉장 보관에 대한 의존도를 낮춰 백신 유통을 더 쉽게 만들 수도 있다. 보관 성능은 백신과 패치 제형에 따라 달라지므로, 제품별 검증이 필요하다. 응우옌의 프로그램형 패치가 의도한 용도로 쓰이려면 방출 시점을 정확히 조절하고 보관 중 백신의 효능을 유지하는 것이 모두 중요하다.

의료기기·보건기술 프로그램 책임자인 PATH의 대린 제룽은 백신 패치의 실용화에 필요한 과제로 산업계의 참여, 대량 생산 능력, 합리적인 비용을 꼽았다. 응우옌이 발표한 연구는 정해진 시점에 약물을 전달하는 동물 실험 결과를 제시했지만, 이 설계를 널리 보급되는 의료 제품으로 만들려면 제조 기술과 임상 개발도 필요하다.

전달 플랫폼을 확장하는 특허

응우옌과 공동 발명자 칸 트란은 2019년 3월 5일 코어-셸 마이크로니들 특허를 출원했다. 미국 특허 11,426,570호는 2022년 8월 30일 등록됐으며, 특허권자는 코네티컷대학교다.

이 발명은 피부에 삽입될 수 있는 생분해성 바늘로, 예측 가능한 시점에 약물이나 백신을 정해진 양만큼 급속 방출하도록 설계됐다. 같은 발명자들의 이름이 기재된 관련 출원은 2022년 7월 22일 제출됐다.

2021년 9월 28일 출원된 별도의 특허에는 응우옌과 니콜라스 패럴이 발명자로 기재돼 있으며, 통증 치료를 위한 지속형 약물 전달에 관한 내용이 담겼다. 이 특허는 약물을 최소 30일 동안 거의 일정한 속도로 방출하도록 설계된 생분해성 마이크로니들 시스템을 설명한다.

두 접근법은 서로 다른 치료 일정에 맞춰져 있다. 백신 접종에는 며칠 또는 몇 주 간격으로 나뉜 회분이 필요할 수 있지만, 통증 치료에는 약물이 일정하게 공급돼야 할 수 있다. 두 방식 모두 재료의 구조와 분해 특성을 활용해 약물이 방출되는 시점을 조절한다.

뼈와 연골 회복을 돕는 재료

응우옌의 연구실은 전기 신호를 만들어 내는 생분해성 구조물도 연구한다. 이때 활용하는 특성은 압전성이다. 재료에 압력을 가하거나 구부리거나 기계적 힘을 주면 소량의 전하가 발생한다.

대퇴골이나 경골처럼 긴 뼈에 심한 손상이 생겼을 때를 위해 연구팀은 치유를 돕는 임시 골격인 생물학적 지지체를 개발하고 있다. 이 재료는 신체 자체의 회복 과정만으로 치유하기 어려운 부위에서 회복을 자극하도록 설계된 전기 펄스를 만들어 낼 수 있다.

NIH 연구비 210만 달러가 주요 장골 손상의 치유를 개선하기 위한 연구에 배정됐다. 이 지지체는 수동적인 틀에 그치지 않고 물리적 지지와 전기 자극을 결합한다.

2022년에 발표된 관련 연구에서는 폴리-L-락트산, 즉 PLLA 나노섬유를 손상된 관절의 연골 재생을 돕는 데 사용했다. 걷기와 같은 움직임이 재료에 힘을 가하면 약한 전기 신호가 발생해 조직 복구에 관여하는 세포를 자극하도록 설계됐다.

연골과 뼈는 서로 다른 복구 전략이 필요하다. 두 연구의 공통된 공학적 접근은 임시 재료에 유용한 생물학적 기능을 부여한 뒤 조직이 회복됨에 따라 재료가 분해되도록 하는 것이다.

약물이 뇌에 도달하도록 설계된 초음파

응우옌의 뇌암 연구는 또 다른 까다로운 약물 전달 문제에 생분해성 재료를 적용한다. 혈관 주변에서 물질의 통과를 엄격히 통제하는 경계인 혈액뇌장벽 때문에 많은 약물이 뇌 조직에 도달하기 어렵다.

그의 연구팀은 뇌 조직 근처에 이식하도록 설계된 작고 유연한 초음파 칩을 개발했다. 이 기기는 항암제가 뇌에 들어가 암세포에 도달하도록 돕는 음파를 만들어 낸다. 제안된 접근법은 임플란트가 분해되기 전까지 반복적인 치료를 지원하도록 설계됐다.

NIH 연구비 216만 달러는 생분해성 초음파 기술로 항암 치료를 개선하는 연구를 지원한다. 치료 뒤 사라지는 기기를 사용하면 환자가 제거를 위한 추가 시술을 받지 않아도 될 수 있다.

초음파 연구는 연구실이 앞서 관심을 가졌던 임시 전자기기 연구를 바탕으로 한다. 2018년 응우옌과 동료들은 녹는 수술용 봉합사에 쓰이는 생분해성 재료를 활용해 센서를 개발했다. 이 기기는 무선으로 정보를 전송한 뒤 분해되도록 설계돼, 모니터링과 이후 제거를 하나의 재료 설계에 통합했다.

임플란트를 넘어선 팬데믹 연구

코로나19 팬데믹 기간 응우옌 연구팀은 생분해성 고분자 막을 마스크 필터로도 활용할 수 있는지 연구했다. 연구팀은 2021년 1월, N95 필터에 가까운 성능을 내면서 살균과 재사용을 견디도록 설계한 시제품을 소개했다.

제안된 필터에는 공기가 통과할 때 소량의 전압을 발생시킬 수 있는 압전 막이 사용됐다. 연구진은 막 자체의 물리적 여과 작용과 더불어 이 전기적 효과가 입자를 포집하는 데 도움이 되는지 조사했다.

응우옌은 연구실이 여과 성능을 측정하고 제조 조건을 조정하며, 기존 의료용 마스크와 N95 호흡기 보호구를 재료와 비교하고 있다고 밝혔다. 연구팀은 막의 압전 특성을 유지하면서 열과 압력 또는 초음파로 살균하는 방법도 시험하고 있다고 설명했다.

이 프로젝트는 2021년 1월 당시 연구·제품 개발 단계였으며 상용화를 검토하고 있었다. 같은 기간 연구실은 코로나19 백신 패치도 연구하고 있었다. 발표된 프로그램형 패치 실험에는 폐렴구균 백신 프리베나-13이 사용됐다.

연구비와 수상이 의미하는 것

연구비 내역은 응우옌 연구 프로그램의 여러 분야를 보여준다. 2024년 10월까지 NIH R01 연구비 4건의 총액은 950만 달러가 넘었다. R01은 정해진 연구 프로젝트를 지원하는 NIH의 주요 연구비 제도다.

구체적으로 언급된 연구비 3건에는 장골 복구 연구를 위한 210만 달러, 마이크로니들 기술 연구를 위한 150만 달러, 뇌암 치료를 위한 생분해성 초음파 연구를 위한 216만 달러가 포함됐다. 게이츠 재단은 여러 백신 성분을 전달할 수 있는 패치를 개발하기 위해 연구비 2건, 총 660만 달러를 승인했다.

언급된 NIH와 게이츠 재단 연구비를 합치면 약 1,610만 달러로, 응우옌이 코네티컷대학교에 부임한 뒤 유치한 연구비 2,500만 달러의 약 64%에 해당한다. 2,500만 달러는 대학이 밝힌 그의 전체 연구비 유치 실적이다.

2024년 미국 발명가 아카데미 시니어 회원으로 선출된 그는 60개 기관에서 뽑힌 124명의 회원에 포함됐다. 이들은 미국 특허를 1,000건 넘게 보유하고 있었으며, 기술 340건 이상이 라이선스되거나 상용화됐다.

시니어 회원 자격은 발명, 특허 취득, 기술 이전, 차세대 발명가 양성 활동을 인정하는 것이다. 응우옌은 이 밖에도 2018년 SME 우수 젊은 제조 엔지니어상, 아시아·태평양 지역 젊은 혁신가 선정, 2019년 베트남 우수 청년 선정 등의 영예를 안았다.

여러 연구 프로젝트의 실용적 목표는 일관된다. 반복적인 병원 방문을 줄이고, 약물이 치료하기 어려운 표적에 도달하도록 돕고, 임시 임플란트가 역할을 마치면 사라지게 하는 것이다. 백신 연구는 동물 실험에서 이러한 목표를 구체적으로 보여줬으며, 더 폭넓은 연구 프로그램은 같은 재료 공학 원리를 조직 복구, 모니터링, 치료에 적용한다.

핵심 내용

• 응우옌 득 타인은 2016년 코네티컷대학교에 합류했고, 2022년 부교수가 됐다.
• 그의 프로그램형 백신 패치는 쥐에게 프리베나-13을 정해진 시점에 투여했으며, 반복 주사와 비슷한 면역 반응을 유도했다.
• 그의 연구실은 뼈와 연골 복구, 임시 센서, 뇌에 약물을 전달하는 초음파 기기에 활용할 생분해성 재료도 연구한다.
• 2024년 10월까지 언급된 NIH와 게이츠 재단 지원금은 총 약 1,610만 달러였으며, 코네티컷대학교는 그의 전체 연구비 유치액을 2,500만 달러로 집계했다.
• 응우옌은 2024년 미국 발명가 아카데미 시니어 회원으로 선출됐다.
• 프로그램형 백신 패치를 사람의 정기 예방접종에 사용하는 것은 여전히 개발 목표다.