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수술 없이 나노입자 이용해 암 조직만 죽이는 ‘광열 암 치료모델’ 개발
수술 없이 나노입자 이용해 암 조직만 죽이는 ‘광열 암 치료모델’ 개발
  • 정민아 기자
  • 승인 2021.10.14 12:13
  • 댓글 0
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KBSI-POSTECH-KAERI 공동연구, 광열 암 치료 해법 제시
3차원 바이오프린팅 및 전산 생물리 해석 기술 활용
수술이나 항암제 없이 유방암과 피부암 치료가 가능할 것
활용 가능성 수준에서만 논의되던 광열 암 치료를 실제 임상에서 사용 가능
게티이미지뱅크
ⓒ게티이미지뱅크

[바이오타임즈] 암 치료는 보통 외과적 수술이나 항암제, 방사선 치료 등으로 이뤄지지만, 최근 정상조직의 손상 없이 암 조직만을 선택적으로 사멸할 수 있는 나노입자를 이용한 광열 암 치료가 주목 받고 있다.

나노입자를 이용한 광열 암 치료란 나노입자에 특정 파장의 빛을 조사하면 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance)에 의해 나노입자에 흡수된 빛에너지가 열에너지로 변환되는데, 이때 생성된 열의 제어를 통하여 국소 부위에 위치한 암세포들을 사멸시키는 치료법으로, 정상 세포보다 열에 약한 암세포의 특성을 이용한다.

이에 광열 암 치료의 효과를 극대화하고 암 재발 방지를 위한 다양한 기능성 나노입자 개발 및 치료전략 연구가 전 세계적으로 활발히 진행 중이지만, 나노입자의 광열 특성이 급격히 변하는 성질로 조건에 맞는 개발이 어려웠다.

이러한 가운데, 국내 연구진이 암 조직만 완전하게 사멸하는 광열 암 치료 모델을 개발했다.
 

다중층으로 구성된 유방조직에서의 금나노입자를 이용한 광열 유방암치료 모식도(사진=KBSI)
다중층으로 구성된 유방조직에서의 금나노입자를 이용한 광열 유방암 치료 모식도(사진=KBSI)

◇KBSI-POSTECH-KAERI 공동연구, 나노입자 이용한 광열 암 치료 해법 제시

한국기초과학지원연구원(이하 KBSI)은 연구장비개발부 남기환·배지용·장기수 박사 연구팀이 인간 생체조직 내 금 나노입자의 광열 특성을 정량적으로 분석하고, 이를 기반으로 정상조직과 암 조직의 열적 손상 정도를 정밀하게 예측할 수 있는 광열 암 치료 모델을 개발했다고 밝혔다.

이번 연구는 한국원자력연구원(이하 KAERI) 첨단방사선연구소 권희정 박사 연구팀, 포항공과대학교(이하 POSTECH) 기계공학과 조동우 교수 연구팀과 공동연구로 진행했으며, 재료과학 및 의료공학 분야 저명 학술지인 Advanced Healthcare Materials[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 게재됐다.

연구팀은 나노입자를 이용한 광열 암 치료로 표적한 암 조직만 완전하게 사멸하는 광열 암 치료 모델을 개발함에 따라, 수술이나 항암제 없이 유방암과 피부암 치료가 가능할 것으로 보인다.

특히, 이번 연구 결과는 연구 수준이 아닌 실제 임상 환경에서 최적의 광열 치료 조건을 찾아낸 것으로, 바로 임상 적용이 가능하며 다양한 암에 대한 광열 치료 모델 개발에 응용할 수 있다는 점에서 의미가 크다.
 

(사진=KBSI)
(왼쪽부터) KBSI 연구장비개발부 남기환 선임연구원(제1저자/ 공동교신저자), 배지용 선임연구원(공동교신저자), 장기수 책임연구원(공동교신저자)(사진=KBSI)

◇활용 가능성 수준에서만 논의되던 광열 암 치료를 실제 임상에서 사용 가능

연구팀의 설명에 따르면 광열 암 치료의 임상 적용에 있어 가장 중요한 관건은 정상조직의 손상 없이 암 조직만을 선택적으로 사멸하고, 치료 후 암의 재발이나 다른 조직으로의 암세포 전이가 없도록 완전히 사멸시켜야 한다.

표적한 암 조직만을 완전히 사멸할 수 있는 최적의 치료조건을 찾기 위해서는 레이저의 출력 및 조사 시간, 레이저가 전파되는 주변 생체조직의 성질 및 구성 상태, 나노입자의 기하학적 형태나 구성에 따른 광열 특성, 암 병소에 최종 도달된 나노입자의 수량, 암 조직의 위치 및 크기, 암세포의 종류 등 다양한 가변적 요인들을 종합적으로 고려해야 한다.

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

이후 광열 온도에 직접적 영향을 주는 다양한 변수들을 모두 대입하여 생체조직 안에서 광열 온도의 열전달 과정과 정상조직이나 암 조직의 열 손상 정도를 정량적으로 실시간 분석했다. 이를 통해 최종적으로 임상에서도 사용이 가능한 최적의 광열 암 치료조건을 찾아낼 수 있는 암 치료 모델을 개발할 수 있었다.

공동연구팀의 순조로운 협업도 연구 성과에 크게 기여했다. KBSI 남기환·배지용·장기수 박사 연구팀은 인간 생체조직체 내 금나노입자의 광열 실험과 전산 생물리 해석을 수행하여 광열 암 치료 모델 개발을 담당했고, KAERI 권희정 박사 연구팀과 생체조직의 내열 손상 예측 모델 개발, POSTECH 조동우 교수 연구팀과 3차원 바이오프린팅 기술을 응용한 3D 생체조직 설계 및 제작 실험을 공동으로 진행했다.

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

이번 성과는 최근 주목받고 있는 3차원 바이오프린팅 기술과 전산 생물리 해석 기술의 성공적인 융합을 통해 생체 내 나노입자의 광열 특성에 대한 정량적인 분석기법을 개발함에 따른 결과로, 연구팀은 이번 연구에서 다룬 유방암 치료는 물론, 다양한 암에 대한 광열 암 치료 모델을 개발하는 후속 연구를 이어나갈 계획이다.

 

[바이오타임즈=정민아 기자] news@biotimes.co.kr


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