김원종 연구실의 핵심 축 가운데 하나는 생체적합성과 전달 효율을 동시에 갖춘 의료용 고분자를 설계하여 DNA, siRNA, mRNA와 같은 핵산 치료제를 안전하게 세포 내부로 운반하는 기술이다. 연구실은 비바이러스성 전달체의 한계를 극복하기 위해 양이온성 고분자, 공중합체, 생분해성 고분자, 이온화 모이어티를 도입한 전달체를 폭넓게 개발해 왔으며, 이를 통해 독성은 낮추고 세포 내 유입과 엔도좀 탈출은 높이는 방향의 소재 전략을 축적해 왔다. 이러한 흐름은 초기의 DNA 분석용 양이온성 comb-type copolymer 연구부터 최근의 mRNA 전달용 고분자 특허와 백신 전달 시스템 개발 과제로 자연스럽게 이어진다. 이 연구 분야의 특징은 단순히 핵산을 포장하는 수준을 넘어, 생체 환경에서 작동하는 정밀 전달 메커니즘을 고분자 구조 안에 설계한다는 점이다. 예를 들어 전하 전환, pH 반응성, 환원성 환경 감응, 생체막 상호작용, 조직 표적화 리간드 부착과 같은 요소를 활용하여 혈중 안정성, 조직 선택성, 세포 특이성, 세포질 방출 효율을 동시에 개선한다. 연구실의 논문과 학회 발표에는 비바이러스성 유전자 전달체, 종양 표적 유전자 전달, 자기장 보조 전달, 고분자-나노입자 하이브리드 전달 시스템 등이 반복적으로 등장하며, 이는 전달체 설계가 연구실의 장기적인 전문 영역임을 보여준다. 이러한 연구는 유전자 치료제, mRNA 백신, 세포치료 보조 플랫폼, 정밀의료용 핵산 의약으로 확장될 가능성이 크다. 특히 최근 바이오미래기술혁신연구센터와 mRNA 백신 전달시스템 개발 과제는 연구실이 기초 고분자 화학에서 출발해 실제 치료제 플랫폼으로 이동하고 있음을 시사한다. 앞으로는 조직별 맞춤형 전달, 생체막 엔지니어링과의 결합, 면역질환 및 암 치료 적용을 통해 차세대 핵산 의약 전달체의 상용화 가능성을 높이는 방향으로 발전할 것으로 기대된다.

연구실의 또 다른 대표 분야는 질병 부위의 미세환경을 감지하고 그에 맞추어 약물을 선택적으로 방출하는 자극 반응성 약물전달 시스템의 개발이다. 김원종 연구실은 고분자 미셀, 나노구조체, 하이드로젤, 금 나노입자, 그래핀 산화물 기반 전달체 등 다양한 플랫폼을 활용하여 약물의 체내 안정성, 표적 부위 축적, 방출 타이밍 제어를 정교하게 구현하고자 한다. 특히 종양, 염증 조직, 관절강, 안구와 같이 특수한 생체 환경을 갖는 부위에서 반응하도록 설계된 소재들이 다수의 논문, 특허, 과제로 연결되어 있다. 대표 사례로는 일산화질소 농도에 반응하여 포집과 약물 방출이 연속적으로 일어나는 하이브리드 하이드로젤이 있다. 이 시스템은 류마티스 관절염과 같은 만성 염증성 질환에서 과잉 생성된 일산화질소를 제거하면서 항염증 약물을 순차적으로 전달해 치료 효과를 높이는 전략을 제시했다. 또한 페닐보론산 결합 고분자, 활성산소종 감응 나노구조체, 광반응성 시스템 등은 종양 및 염증 부위에서 선택적으로 활성화되어 정상 조직에 대한 부작용을 줄이고 치료 효율을 높이는 데 초점을 둔다. 이러한 연구는 소재 자체의 화학적 설계와 질환 미세환경에 대한 생물학적 이해가 긴밀히 결합된다는 점에서 높은 융합성을 가진다. 이 분야는 약물전달을 단순 운반이 아닌 반응형 치료 플랫폼으로 재정의한다는 의미가 있다. 연구실은 소수성 약물의 수용화, 주사형 제형 개발, 자기 치유형 하이드로젤, 광유도 방출, 산화 스트레스 감응 시스템 등으로 기술 범위를 넓히며 다양한 적응증으로 응용 가능성을 확보하고 있다. 향후 이러한 플랫폼은 관절염, 당뇨 합병증, 안질환, 고형암 치료뿐 아니라 복합 질환의 병용 치료와 맞춤형 정밀 제형 개발로 이어질 가능성이 높다.

김원종 연구실은 고분자와 나노소재를 이용해 면역계의 기능을 조절하고 질환 미세환경을 재구성하는 치료 전략에도 강점을 보인다. 최근 발표된 항암 면역치료 연구에서는 종양 내부에서 항체를 생성·방출하는 나노입자 플랫폼을 제안하여, 면역관문억제 치료의 한계를 극복하고자 했다. 또한 자연살해세포와 종양세포 사이의 면역 시냅스를 활용해 약물을 국소적으로 전달하는 연구는 면역세포의 고유 기능과 스마트 전달체를 결합한 독창적 접근으로 평가된다. 이는 연구실이 단순한 소재 개발을 넘어서 면역반응 자체를 설계 대상으로 삼고 있음을 보여준다. 염증 조절 측면에서는 일산화질소, 활성산소종, TNF-α와 같은 염증 매개 인자를 표적으로 하는 기술이 두드러진다. 연구실은 만성 염증성 질환 극복을 위한 장기 과제를 수행하면서, 질환 부위에서 과도하게 생성되는 신호 분자를 방출하거나 포집하는 소재를 동시에 개발하고 있다. 류마티스 관절염, 골관절염, 염증성 장 질환, 당뇨 및 항암 치료 연계 주제가 함께 제시되는 점은 이 플랫폼이 특정 질환에 국한되지 않고 넓은 범위의 면역·염증 질환에 적용될 수 있음을 의미한다. 특히 염증 조절과 약물 방출을 한 시스템 안에서 통합하려는 전략은 복합 병태를 다루는 데 유리하다. 이러한 연구의 궁극적 가치는 치료 효율을 높이면서도 전신 부작용을 줄이는 정밀 면역조절 기술을 구현하는 데 있다. 종양 미세환경, 면역세포 활성화, 광역학 치료, 항체 생성, 기체 신호분자 조절 등이 하나의 연구 흐름 안에서 통합되며, 향후 세포치료제, 유전자치료제, 면역항암제와 결합된 차세대 복합 치료 플랫폼으로 발전할 가능성이 높다. 연구실이 수행하는 바이오반도체, 정밀의료, 생체막 엔지니어링 관련 대형 과제 역시 이러한 면역·염증 조절 연구가 실제 의료기술로 연결될 기반을 강화하고 있다.