나노입자를 이용한 광열 암 치료법 임상적용 성큼...

3차원 바이오프린팅 및 전산 생물리 해석 기술 활용 광열 암 치료모델 개발

KBSI-POSTECH-KAERI 공동연구, 광열 암치료 해법 제시

 나노입자를 이용한 광열 암 치료*로 표적한 암조직만 완전하게 사멸하는 광열 암 치료모델을 개발함에 따라, 수술이나 항암제 없이 유방암과 피부암 치료가 가능할 것으로 보인다.

  * 나노입자를 이용한 광열 암 치료 : 나노입자에 특정파장의 빛을 조사하면 표면 플라즈몬 공명(Surface plasmon resonance)에 의해 나노입자에 흡수된 빛에너지가 열에너지로 변환됨. 이때 생성된 열의 제어를 통하여 국소부위에 위치한 암세포들을 사멸시키는 치료법으로, 정상세포보다 열에 약한 암세포의 특성을 이용함.

 한국기초과학지원연구원(원장 신형식, 이하 KBSI)은 연구장비개발부 남기환·배지용·장기수 박사 연구팀이 인간 생체조직 내 금나노입자의 광열특성을 정량적으로 분석하고, 이를 기반으로 정상조직과 암조직의 열적 손상정도를 정밀하게 예측할 수 있는 광열 암 치료 모델을 개발했다고 10월 14일(목) 밝혔다. 

 이번 연구결과는 연구수준이 아닌 실제 임상환경에서 최적의 광열치료 조건을 찾아낸 것으로, 바로 임상적용이 가능하며 다양한 암에 대한 광열치료 모델 개발에 응용할 수 있다는 점에서 의미가 크다.

 이번 연구는 한국원자력연구원(원장 박원석, 이하 KAERI) 첨단방사선연구소 권희정 박사 연구팀, 포항공과대학교(총장 김무환, 이하 POSTECH) 기계공학과 조동우 교수 연구팀과 공동연구로 진행됐다.  

 나노입자를 이용한 광열 암 치료는 기존의 외과적 수술, 화학적 치료, 방사선 치료와 달리 정상조직의 손상없이 암 조직만을 선택적으로 사멸할 수 있는 장점으로 인해 차세대 암 치료 기술로 각광받고 있다. 또한 광열 암 치료의 효과를 극대화하고 암 재발 방지를 위한 다양한 기능성 나노입자 개발 및 치료전략 연구가 전 세계적으로 활발히 진행 중이다.  

 광열 암 치료의 임상적용에 있어 가장 중요한 관건은 정상조직의 손상없이 암 조직만을 선택적으로 사멸하고, 치료후 암의 재발이나 다른 조직으로의 암세포 전이가 없도록 완전히 사멸시켜야 한다는 것이다. 

 표적한 암 조직만을 완전히 사멸할 수 있는 최적의 치료조건을 찾기 위해서는 레이저의 출력 및 조사시간, 레이저가 전파되는 주변 생체조직의 성질 및 구성상태, 나노입자의 기하학적 형태나 구성에 따른 광열특성, 암병소에 최종 도달된 나노입자의 수량, 암조직의 위치 및 크기, 암세포의 종류 등 다양한 가변적 요인들을 종합적으로 고려해야 한다.

그림1. 인간 생체조직을 모사한 다중 층으로 구성된 유방조직 내 금나노입자를 이용한 유방암 광열치료 모식도

 공동연구팀은 생체와 유사한 환경에서 다양한 실험을 할 수 있도록 3차원 바이오프린팅 기술을 도입, 살아있는 사람의 유방암세포를 생체재료로 활용하여 인공 생체조직체를 제작했다. 더불어, 다양한 생체조직체의 광학적, 열적, 생물리적 특성을 고려하는 전산 생물리 해석(Computational biophysics analysis) 기술을 융합하여, 인간의 복잡한 생체환경을 정확히 모사했다.  

그림2. 다양한 생체조직체의 광열실험을 통해 얻은 '깊이에 따른 온도감소비' 그래프_깊이에 따라 온도변화가 거의없는 

PDMS 구조체를 기준으로 상대 비교한 것으로, 생체조직 표면에서부터 암 조직 위치까지의 광 감쇠(Light attenuation) 및 

열 확산(Thermal diffusion) 등 정보를 알 수 있음.

그림3. (a) 전산 생물리 해석을 통한 인체 유방암 조직의 열 손상 분석 및 (b) 3차원 프린팅 기술을 활용해 제작한 

다층구조의 유방암 조직체를 이용한 열 손상 분석

 그리고, 광열온도에 직접적 영향을 주는 다양한 변수들을 모두 대입하여 생체조직 안에서 광열온도의 열 전달과정과 정상조직이나 암조직의 열 손상정도를 정량적으로 실시간 분석했다. 최종적으로 임상에서도 사용이 가능한 최적의 광열 암 치료 조건을 찾아낼 수 있는 암 치료모델을 개발할 수 있었다.

사진1. 연구자 사진_(왼쪽부터) KBSI 연구장비개발부 남기환 선임연구원(제1저자/ 공동교신저자), 

KEARI 첨단방사선연구소 권희정 책임연구원(공동저자), POSTECH 기계공학과 조동우 교수(공동저자), 

KBSI 연구장비개발부 배지용 선임연구원(공동교신저자), 장기수 책임연구원(공동교신저자)

사진2. 단체사진 이미지_(왼쪽부터) KBSI 연구장비개발부 남기환 선임연구원 (제1저자/ 공동교신저자), 

배지용 선임연구원(공동교신저자), 장기수 책임연구원(공동교신저자)

 KBSI 남기환·배지용·장기수 박사 연구팀은 인간 생체조직체 내 금나노입자의 광열실험과 전산 생물리 해석을 수행하여 광열 암 치료모델 개발을 담당했고, KAERI 권희정 박사 연구팀과 생체조직의 내열손상 예측모델 개발, POSTECH 조동우 교수 연구팀과 3차원 바이오 프린팅 기술을 응용한 3D 생체조직 설계 및 제작 실험을 공동으로 진행했다. 

 본 연구는 ‘KBSI 분석과학 연구장비개발사업‘과 과학기술정보통신부가 지원하는 한국연구재단의 ‘이공학 기초연구사업’, ‘방사선기술개발사업’의 지원을 받아 수행하였으며, 재료과학 및 의료공학분야 저명 학술지인 Advanced Healthcare Materials誌[논문명: Quantitative Photothermal Characterization with Bioprinted 3D Complex Tissue Constructs for Early-Stage Breast Cancer Therapy Using Gold Nanorods, IF: 9.933, KBSI 남기환(제1저자/공동교신저자), 배지용(공동교신저자), 장기수(공동교신저자), KAERI 권희정(공저자), POSTECH 조동우(공저자)]에 최근 게재되었다.

 제1저자이자 공동교신저자인 KBSI 남기환 박사는 “이번에 개발한 광열 암치료 모델은 활용 가능성 수준에서만 논의되던 광열 암 치료를 실제 임상에서 사용할 수 있게 했다는 점에서 의미가 크다”며, “향후 의료계에서 광열 암 치료의 효과를 극대화할 수 있는 전략을 세우는 데 큰 도움이 될 것”이라고 밝혔다.

 공동교신저자인 KBSI 배지용·장기수 박사는 “이번 성과는 최근 주목받고 있는 3차원 바이오프린팅 기술과 전산 생물리 해석 기술의 융합을 통해 생체 내 나노입자의 광열특성에 대한 정량적인 분석기법을 개발함에 따른 결과”라며, “이번 연구에서 다룬 유방암 치료는 물론, 다양한 암에 대한 광열 암 치료 모델을 개발하는 후속연구를 이어나갈 것”이라고 말했다. <끝>