한국원자력의학원-단국대 공동 연구팀,

PET 촬영용 방사성동위원소와 수술용 형광물질 탑재한 스마트 나노플레이트 개발

‘길 찾는 엽산’ 품은 나노 기술로 암 테라노스틱스 시대 앞당긴다

□ 한국원자력의학원(원장 이진경) 이용진 박사 연구팀은 단국대 최진호 박사 연구팀과 공동으로 암을 진단하는 양전자방출단층촬영(PET)과 수술 중 실시간으로 암 부위를 확인할 수 있는 근적외선형광영상촬영(NIRF)이 동시에 가능한 ‘엽산 수용체 표적형 이중 영상 나노플레이트’를 개발했다.

□ PET와 NIRF를 결합한 영상 기술은 PET의 높은 민감도와 전신 영상 능력(수술 전 종양 위치 및 전이 파악)에 NIRF의 높은 해상도와 실시간 영상 능력(수술 중 암 조직 경계 확인)을 결합한 것으로, 암 진단과 치료를 통합하는 테라노스틱스(Theranostics) 접근법의 핵심 기술로 주목받고 있다.

* 근적외선 형광 영상(Near-Infrared Fluorescence, NIRF): 인체 투과도가 높은 근적외선 파장대(700-900nm)의 빛을 이용해 특정 분자가 내는 형광 신호를 영상화하는 기술. 실시간으로 고해상도 영상을 얻을 수 있어 수술 중 암 조직의 경계를 파악하는 데 유용함

□ 연구팀은 생체에 무해한 층상이중수산화물(LDH) 나노 물질을 기반으로, PET 진단용 방사성동위원소인 구리-64(64Cu)와 NIRF 촬영용 형광 물질인 인도시아닌 그린(ICG), 그리고 암세포를 찾아가는 표적 물질인 엽산(FA)을 결합시켜 나노플레이트(64Cu-LDH-ICG/FA)를 개발하고 그 효능을 평가했다.

○ (작용 원리) 구리-64(64Cu)를 탑재한 나노플레이트를 생체에 주입하면, 결합된 엽산(FA)이 엽산 수용체가 많이 발현된 암세포 표면을 '내비게이터' 삼아 암 조직에 선택적으로 결합하고 축적된다. 수술 전에는 축적된 나노플레이트 속 구리-64(64Cu)에서 방출되는 신호를 PET 영상으로 전환해 암의 크기와 위치를 정밀하게 진단한다. 수술 중에는 형광 물질인 인도시아닌 그린(ICG)이 암 부위만 근적외선 형광으로 밝혀 의료진이 고해상도 NIRF 영상으로 암 조직의 경계를 실시간으로 명확히 확인할 수 있도록 돕는다.

○ (세포실험 결과) 엽산 수용체 발현 수준이 각기 다른 암세포 대상 실험 결과, 엽산 수용체 발현이 높은 암세포일수록 나노 방사성의약품의 결합력이 월등히 높았다. 특히, PET와 NIRF 형광 영상 신호의 강도가 비례하여, 두 영상 정보가 정확히 일치함을 증명했다.

○ (동물모델 실험 결과) 실험 쥐에게 나노 방사성의약품을 주사하고 PET 영상에 이어 NIRF 형광 영상을 촬영한 결과, 엽산 수용체가 많은 암 조직은 낮은 조직에 비해 최대 3.6배 높은 나노물질 섭취율을 보였으며, PET와 NIRF 형광 영상 모두에서 암 조직이 뚜렷하게 관찰됐다.

* 층상이중수산화물(Layered Double Hydroxide, LDH): 점토와 유사한 2차원 층상구조를 가진 무기 나노물질. 층과 층 사이에 다양한 기능성 분자(약물, 유전자 등)를 안정적으로 담을 수 있고, 생체 내에서 독성이 낮아 약물 전달체로 주목받고 있음

* 엽산 수용체(Folate Receptor, FR): 비타민 B의 일종인 엽산이 세포 내로 들어오는 것을 돕는 단백질. 정상 세포보다 자궁경부암, 난소암, 폐암 등 다양한 암세포의 표면에 월등히 많이 존재하여 암 표적 치료 및 진단의 중요한 바이오마커로 활용됨

□ 연구팀은 PET와 NIRF 영상 정보의 일치를 확인, 새롭게 개발된 나노플레이트의 정확한 암 진단 및 정밀한 수술 가능성을 확인했다.

□ 나아가 연구팀은 2차원 나노물질(LDH) 기반 플랫폼 기술을 통해 향후 다양한 방사성동위원소 및 항암제를 탑재하여 진단과 치료가 동시에 가능한 테라노스틱스(Theranostics) 기술로 확장할 계획이다. 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘스몰(Small)’ 최신 호 온라인판에 게재됐다.

- 논문명: 2D van der Waals System Integrated with Targeting Radio.Diagnostic and Imaging Functions

(저자: 엄새란(제1저자), 안재훈, 김정영, 이교철, 산요 레지놀드, 이용진(교신저자), 최진호(교신저자)

□ 이번 연구는 과학기술정보통신부에서 지원하는 ‘CD44 표적형 암 줄기세포진단 및 치료용 방사성의약품 개발’과 한국원자력의학원 기관고유사업으로진행한 ‘방사성동위원소 생산시설 운영 및 응용연구’의 일환으로 수행됐다.

☐ 연구의 필요성

○ 방사성동위원소를 이용하여 하나의 나노물질로 몸속 깊은 암의 위치를 정확히 진단하고, 동시에 수술 중 암의 경계를 실시간으로 시각화할 수 있는 이중영상 플랫폼을 개발하고자 했다.

☐ 연구내용

○ 본 연구에서는 생체에 무해한 2차원 나노소재(LDH)를 기반으로 방사성동위원소와 영상 약물을 안정적으로 결합시킨 플랫폼 기술을 개발하였다. 또한 장기 독성 평가 실험을 통해 개발된 나노물질이 최대 2개월까지 체내에서 별다른 독성 반응이나 조직 손상을 일으키지 않는 높은 생체적합성을 가지고 있음을 확인했다.

☐ 기대효과

○ 플랫폼 기술을 활용하여 다양한 방사성동위원소나 항암 약물을 탑재할 수 있어, 향후 진단과 치료가 동시에 가능한 '테라노스틱스(Theranostics)' 분야로 확장될 가능성을 열었다.

○ 향후 암 진단의 정확성을 획기적으로 높이고, 수술 중 정상 조직의 손상을 최소화하는 정밀 의료 기술 발전에 기여할 것으로 기대한다.

[그림1] 이중 영상 나노플레이트의 암 표적 영상

[그림2] 암세포 종류(A549, KB, HeLa)에 따른 이중영상 나노플레이트(64Cu-LDH-ICG/FA)의 체내 분포

ㅇ 엽산 수용체(FR) 발현이 가장 높은 HeLa 종양에서 PET(상단)와 NIRF(하단) 신호가 모두 가장 강하게 나타나, 나노물질의 표적 성능을 입증함