악성 뇌종양의 진단과 치료가 동시에 가능해

생체 내의 암세포를 확인하고 그 주변의 물 분자를 가열해 치료할 수 있는 기술이 개발됐다. 해당 기술은 향후 악성 뇌종양 진단과 치료에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

한양대학교 화학과 이준석 교수, 생명공학과 이동윤 교수, 생명과학과 김영필 교수 연구팀이 근적외선 영역에서 긴 수명을 가지는 신호처리 기술과 국소적 물 분자 가열을 통한 광열치료가 가능한 다기능성 나노입자를 개발했다고, 한양대가 19일 밝혔다.

연구팀은 근적외선 파장대인 1.0 μm(마이크로미터 : 100만 분의 1미터) 영역의 물 분자를 가열하기 위해 네오디뮴-이터븀 (Nd-Yb)으로 이루어진 란타나이드 기반 소재를 개발했다. 해당 소재는 물 분자의 1.0 μm 영역에서 강한 흡광을 기반으로 광열효과를 일으켜 물의 일부분만을 가열할 수 있다.

기존 란타나이드의 재료인 네오디뮴 이온의 광열효과는 교차이완(Cross-relaxation, 이하 CR) 기반으로, 광열효과가 8.8% 정도로 낮아 널리 이용되지 못하고 있다.

연구팀은 적외선 레이저를 사용하였을 때 물이 뜨거워지는 현상을 활용해 1.0 μm 영역에서 강하게 발광하는 입자를 고안했다. 해당 발광입자는 기존 네오디뮴 이온의 CR 현상 기반 광열효과와 비교하였을 때 약 3배 향상된 효율을 보였다.

연구팀은 또한 해당 나노소재에 톨륨(Tm)을 도핑하여 긴 수명을 가지는 근적외선 이미징 기능을 추가했다. 생물을 영상화할 때에는 생체에서 자체적으로 형광신호가 발생하여, 관찰하고자 하는 특정 형광 신호를 식별하기 어려워진다. 연구팀이 개발한 나노입자는 수 마이크로초(100만 분의 1초)의 신호를 가져 수 나노초(10억 분의 1초) 자가형광 신호를 피해 나노입자만의 신호를 독립적으로 감지할 수 있다.

이준석 교수는 이번 연구에 대해 “기존의 1.0 μm 파장은 물 분자를 가열하기 때문에 생체 적용에 한계가 있었는데, 발상을 전환하여 암세포 주변의 물 분자만 국소적으로 가열하는 새로운 방식의 광열효과에 적용하였다. 본 연구를 바탕으로 더 효율적인 광열효과를 위한 다기능성 나노입자 개발에 집중할 것”이라고 설명하였다.

이동윤 교수는“최근 미국 FDA에서 승인한 실리카 소재의 AuroLase®처럼, 본 연구결과의 사업화를 통해서 수술적 접근이 어려운 난치성 또는 재발성 암환자의 치료 등에 활용이 가능할 것”이라고 밝혔다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 이공분야기초연구사업(중견연구, 기초연구실지원사업) 그리고 원천기술개발사업(바이오의료기술개발사업, 첨단융합기술개발사업)의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 `네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)'에 지난달 13일 게재되었다.

[사진1] 한양대학교 공동 연구팀. (왼쪽부터) 이준석 교수, 이동윤 교수(이상 교신저자), 강동규 박사과정, 김형식 박사(이상 공동 제1저자)

[사진2] 긴-수명을 가지는 근적외선 이미징 및 악정 뇌종양 주변 물 분자만 가열하기 위한 다기능성 입자의 모식도