국내 연구진이 암세포에서 정상세포보다 과발현되는 과산화수소(H2O2)를 영상기술을 통해 비침습적으로 감지할 수 있는 신개념 조영기술을 개발했다. MRI는 물론 광학 영상까지 이중모드 관찰이 가능하여, 향후 암 진단 및 치료제 개발에 새로운 전환점이 될 수 있을 것으로 기대된다.
한국기초과학지원연구원(원장 양성광, 이하 KBSI)은 오창바이오･환경연구소 홍관수 박사 연구팀, 바이오이미징중개연구부 조지현 박사 연구팀이 미국 텍사스주립대학교 Sessler 교수 연구팀과 공동으로 종양의 과산화수소에 반응하여, 신호를 발생하는 감응성 바이모달 (MRI·광학 혼합) 이미징 프로브*를 개발했다고 밝혔다.
* 프로브(Probe) : 단백질이나 유전자 등을 확인하는 데에 활용하는 분자 화합물
CT와 MRI를 결합한 CT-MRI 사례와 같이 서로 다른 영상기술을 결합하는 것은 살아있는 대상의 보완적인 해부학적 및 분자적 정보를 제공할 수 있어서 생의학 연구 및 진단에서 강력한 도구로 부상했다. 본 연구로 개발된 이미징 프로브는 MRI와 광학 영상기술을 결합했으며, 특히 특정 분자 표적과의 상호작용이 있을 경우에만 신호를 나타내는 장점이 있어, 암세포에서 과발현되는 과산화수소를 통해 암세포만 선택적으로 표적할 수 있는 영리한 이미징 프로브라 할 수 있다.
그림1. 과산화수소(H2O2) 감지 다중 모드 이미징 프로브의 구조·원리 및 이미징 결과_
다중 모드 이미징 프로브가 H2O2 존재에 의해 작동이 되어 암의 위치에서만 강한 CEST MRI 및 형광 영상 신호를 발생시킴
본 이미징 프로브는 선택적 감지와 표적으로 형광 신호와 MRI 신호가 각각 15배 그리고 60배 향상되는 결과를 보였다. 또한 정상 세포주와 조직에 비해 암 세포주와 종양 조직에서 각각 최대 4.5배, 최대 5.8배 높은 과산화수소 수준을 관찰했으며 생체 적합성 또한 확인하였다.
이번 연구를 통해 개발된 새로운 프로브는 과산화수소 관련 생물학에 대한 이해를 높이고 시험관 및 생체 내 암 발견에 대한 가능성을 열어줄 수 있다는 점에서 큰 의미가 있다.
그림2. 종양모델 마우스에서 생체 내 다중 이미징(형광 및 CEST MRI)_
다중 이미징 프로브 투여 후 실시간으로 종양 부위 검출 영상 획득
(A: 형광영상, B: T2 및 CEST MRI 영상)
KBSI 홍관수 박사 연구팀은 이번 기술 개발에서 연구총괄을 맡았고, 조지현 박사 연구팀은 화학교환포화전이(Chemical Exchange Saturation Transfer, 이하 CEST)* MRI 영상연구 총괄을 맡았으며, 미국 텍사스대 Sessler 교수 연구팀은 합성 아이디어 수립 및 연구방향 제시 등을 수행했다.
* CEST(Chemical Exchange Saturation Transfer, 화학교환포화전이) : 양성자 교환이 가능한 생체 내 분자들(NH2-, OH- 등)의 양성자를 여기시키면, 여기된 양성자가 주위 물분자의 양성자와 상호교환이 이루어져, 결과적으로 물분자의 신호를 감소시키는 현상이 발생한다. 낮은 농도의 관측 불가능한 생체 내 분자들의 신호를 큰 물신호로 전이시켜 MRI 영상에서 관찰가능 하도록 신호를 증폭시키는 방법의 MRI 영상기법임.
KBSI 홍관수 박사(오창바이오･환경연구소 소장)는 “이중모드 개념으로 MRI와 광학 이미징 모두의 장점을 살릴 수 있으면서 생체 적합한 최적화된 프로브를 개발한 것으로, 수용액, 세포 및 동물 모델에서 모두 그 가능성을 확인할 수 있었던 연구 결과”라며, “생체 내에서 실시간 암 진단기술 및 암 치료제 개발에 획기적으로 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.
KBSI 조지현 박사는 “본 연구는 다양한 MRI 영상기법들 중에서 CEST 영상기법을 활용한 연구로서, 과산화수소에 선택적인 표적 프로브를 활용해 생체에서 실시간으로 CEST 영상을 얻어 종양을 관찰한 결과이며, 암 뿐만 아니라 다양한 분야에서 과산화수소 검출을 위해서 활용될 수 있다. 비침습적인 MRI 영상을 활용한 질환 연구는 질환의 진단, 치료 과정 모니터링 뿐만 아니라 질환 부위의 특성까지 연구할 수 있고, 인체 연구까지 이어질 수 있어서 질환 연구에 기여할 수 있는 바가 크다”라고 밝혔다.
본 연구결과는 국가과학기술연구회의 창의형 융합연구사업과 한국연구재단 중견연구사업, 한국기초과학지원연구원 주요사업의 지원으로 진행됐으며, 센서분야 저명 국제 학술지인 Sensors and Actuators B-Chemical 誌 [논문명 : Activatable near-infrared fluorescence and chemical exchange saturation transfer MRI multimodal imaging probe for tumor detection in vitro and in vivo, IF=8.4, JCR 상위 1.59%, Sanu Karan(공동제1저자), 조지현(공동제1저자), 홍관수(공동교신저자), 미국 텍사스대 Sessler(공동교신저자)]에 5월 1일 온라인 게재되었다. <끝>
