바이오인

핵심내용

-체내 암세포와 정상세포 간 경계 명확 구분, 초정밀 진단치료 가능성 제시 -

 □ IBS(기초과학연구원, 원장 오세정) 나노입자 연구단(단장 현택환, 서울대 화학생물공학부 중견석좌교수)은 무독성 반도체 나노입자를 활용한 고해상 삼광자(三光子)-인광 생체 광학영상 구현에 성공했다고 밝혔다.

 ○ 동 연구성과는 기존 발광영상보다 높은 해상도로 암 등 다양한 의료분야의 초정밀 진단 및 치료를 가능케 할 수 있을 뿐만 아니라, 유해성 논란이 있었던 중금속 기반의 기존 발광입자를 대체했다는 점에서 큰 의미를 가진다.

 ○ 현택환 단장 연구팀 유정호 박사와 한국기초과학지원(연)(KBSI, 원장 정광화) 춘천센터 권승해 박사의 7년여에 걸친 오랜 공동 연구*를 통해 결실을 맺은 이번 연구결과는 재료공학 분야 세계적 권위 학술지인 “네이처 머터리얼즈誌(Nature Materials)" 2월 18일 온라인판에 게재됐다.

 * <분광분석 연구지원> 즈데넥 페트라섹 박사((獨) MPI 페트라 슈빌레 교수 연구팀)

□ 크기 변화에 따라서 다양한 색의 형광이 구현한 반도체 나노입자를 인체에 적용, 생체 내에서 광학영상을 구현하고 이를 질병진단 기술로 응용하고자 하는 노력은 1990년대 후반부터 이루어져 왔다. 하지만 그동안 나노입자의 유해성에 대해 많은 논란이 제기됐었다. 특히 기존의 반도체 나노입자를 구성하고 있는 카드뮴, 납, 비소 등의 유해원소들로 인해 인체 내에서의 적용이 불가능하다고 인식돼 왔다.

 ○ 현 단장 연구진은 중금속 기반 나노입자 대신, 독성이 적고, 인체 구성 필수원소인 아연과 황으로 구성된 황화아연 나노입자를 합성한 뒤 여기에 소량의 망간 이온을 도핑해 매우 밝은 오렌지색 인광을 구현했다.

□ 오렌지색으로 발광하는 황화아연 나노입자를 이용해 고해상도 생체 광학 영상을 얻기 위해 노력하던 도중, 현 단장 연구진은 이 나노입자가 매우 높은 효율의 ‘삼(三)광자 현상’이라는 특이한 양자역학적 성질을 갖고 있다는 사실을 발견했다.

 ○ 연구팀은 더 나아가 무독성 황화아연 나노입자의 삼광자 현상을 이용, 기존의 근적외선 광학 현미경의 해상도 한계를 뛰어넘는 고해상도 생체광학영상을 얻는데 성공했다.

 ○ 유방암만 선택적으로 인식하는 펩타이드 항체와 나노입자 표면을 결합시킨 후 암이 이식된 쥐에 주사 투여, 암조직 주변의 혈관 및 암세포를 2 마이크로미터 이하 분해능의 고해상도 광학영상을 얻어냈다. 

□ 이번 연구성과는 반도체 나노입자의 독성 문제를 해결함으로써 임상 등 의료분야 적용의 안전성을 확보하는 동시에 기존 영상보다 고해상도의 광학영상을 도출해 의료 등 다양한 분야로의 적용 가능성을 제시했다는 점에서 의미가 크다.

□ 연구책임자인 현택환 단장은 “나노입자의 삼광자 생체광학영상 기술을 통해 MRI, CT 등 기존 영상의학 기술에 비해 높은 해상도의 조직 영상을 얻을 수 있다”며 “조직을 세포수준으로 관찰해 질병 악성·전이 정도 등의 정밀 진단, 정상조직과 질병조직의 명확한 경계 제시 등, 기존 영상 진단 기술과 상호보완적으로 더 많은 병리학적 정보를 제공해 더욱 정확한 질병진단 및 치료를 가능케 할 것으로 기대된다”고 밝혔다. 

상세내용

용   어   설   명

1. 나노입자 (Nanoparticle)
 ○ 나노입자는 1～100 nm (1 nm = 십억분의 일 m)의 크기를 가지는 입자로 가지고 있는 전기적 물리적 성질이 특이해, 이를 이용하여 전자, 에너지, 의학에 많이 사용하고 있다. 이 특이한 성질을 가진 나노입자에 다양한 기능을 부가하여 약물을 병리조직에 전달하거나, 병리조직의 진단을 하는 나노의학이 발전되었다.

2. 비선형적 광학 (Non-linear Optics)
 ○ 종래 고전광학과는 달리 광학연구의 후반에 등장한 광학으로 레이저를 이용하여 물질의 비선형적인 특성을 조사하는 학문이다. 핵과 전자간의 섭동을 일으킬 만한 전기장을 레이저로 유도시켜, 기존의 전기장이 굴절률에 선형적으로 반응하지 않고, 섭동에 의해 비선형적으로 반응하여 생기는 여러 가지 비선형 현상을 관측하는 학문이다. 대표적으로는 두 배 또는 세 배로 주파수를 높이는 2차, 3차 고조파 생성, 두파를 합하거나 빼주는 합, 차 주파수 생성, 다광자 흡수 등이 있다.

3. 다광자 흡수원리 (Multi-photon absorption process)
 ○ 두 개의 광자가 양자역학이 지배하는 ‘하이젠베르그 시간대’에서 형광물질과 상호작용할 때 두 개의 광자가 가진 에너지를 흡수하여 발광하는 현상을 ‘이광자 (二光子) 흡수 원리 (two-photon absorption process)’라고 한다. 같은 원리로 세 개의 광자가 상호작용할 경우 ‘삼광자 (三光子) 흡수원리’ 라고 하며 이와 같은 현상을 통틀어 다광자 (多光子) 흡수원리‘라고 한다.

4. 수동적-능동적 타게팅 (Passive, Active targeting)
  ○ 능동적 타게팅이란, 암세포의 경우 가지고 있는 특이 단백질 및 특이 수용체를 많이 발현시켜 이를 역이용하여 항체를 이용하여 나노입자 및 다른 물질을 암세포에 선택적으로 타게팅 · 추적할 수 있는 방법이다. 수동적 타게팅이란 암 조직이 비정상적으로 성장하면서 생기는 다공성 혈관벽에 나노입자가 빠져나가면서 암조직에 축척되는 것을 말한다.

 
연 구 결 과  개 요

1. 개요

  반도체 나노입자는 크기에 따라 발광 파장을 조절할 수 있는 ‘양자 크기 효과’로 인해 광소재로서 다양한 응용 가능성이 제시되어 왔다.

  1998년에 버클리대학 및 조지아공과대학에서 카드뮴계 (CdSe) 나노입자를 이용한 세포관찰에 처음 성공 및 2004년에 조지아공과대학에서 마찬가지로 CdSe 나노입자를 이용, 광학영상 기술을 이용한 암조직의 관찰에 처음으로 성공하였다. 

  이 후 카드뮴계 (CdSe, CdTe), 비소계 (InP, InAs) 등 다양한 종류의 반도체 나노입자를 통한 나노입자의 임상적용 가능성이 다각도로 모색되었으나, 결국 반도체 나노입자의 구성원소가 신체 내에서 대사가 불가능한 중금속이라는 근본적인 문제를 해결할 수 없었다.

  1931년, 퀴리 부인에 이어 여성 두번째 노벨 물리학상 수상자인 괴퍼트 마이어 (Goeppert-Mayer) 박사는, 아인슈타인의 ‘광전효과’를 확대 해석하여, 두 개의 근적외선 영역대 광자가 양자역학이 지배하는 ‘하이젠베르그 시간대’에서 형광물질과 상호작용할 때 가시광선 영역의 형광을 관찰할 수 있다는 이론을 박사학위 논문으로 제출했다. 이것을 ‘이광자 (二光子) 흡수 원리 (two-photon absorption process)’라고 한다. 60년 후, 1990년 미국 코넬 대학에서 이 양자역학적 원리를 응용한 ‘이(二)광자 현미경’을 개발하였다. 이광자 현미경은 근적외선을 이용하여 다양한 생명현상을 살아있는 조직의 깊은 곳에서 고해상도로 관찰할 수 있다는 장점 때문에 1990년대 중반에 Biorad社에 의해 상용화되어 차세대 생체 광학 영상 기술로 발전해왔다.

  이광자 현상을 확장하면 세 개의 광자가 하이젠베르그 시간에서 물질과 상호작용해야 하는 ‘삼광자(三光子) 현상’ 역시 이론적으로 가능하다. ‘삼광자(三光子) 현상’을 이용한 광학 현미경 기술의 경우, 이광자 현상에 비해 더 고해상도의 이미지를 깊은 조직에서 얻을 수 있다는 기대되어 왔으나, 매우 낮은 양자 효율로 인해 실현 가능성은 없는 것으로 예측되어 왔다.

  반면, 반도체 나노입자의 경우, 벌크와는 다른 독특한 다양한 광학적 성질을 갖고 있는데 그 중 하나가 비선형광학성질이 매우 우수하다는 점이다. 이미 2003년도에 코넬 대학 응용물리학과 연구팀에서는 반도체 나노입자가 매우 높은 효율의 ‘이광자흡수성’을 갖는 것을 이용하여 이광자현미경 생체광학영상에 응용하였으며, 더 나아가 ‘삼광자흡수성’ 역시 매우 높을 것으로 예측되어 왔다.

2. 연구내용

본 연구는 나노기술의 생명공학 및 의학 분야로의 응용 관점에서 두 가지 난제를 동시에 해결하였다. 

  첫째는 중금속을 배제한 반도체 나노입자의 생체광학영상을 최초로 구현했다는 것이다.
  중금속이 완전히 배제된 황화아연 (ZnS) 나노입자를 합성하여 생체광학영상 기술을 구현하였다. 나노입자의 구성요소인 아연은 우리 몸의 필수 영양소이며, 황은 단백질의 구성 원소이므로 생체 내에서 대사가 가능하다.

  한편, 순수한 ZnS 나노입자는 생체광학영상 구현에 필수적인 가시광선 및 적외선 영역대의 빛을 발산하지 못하고, 자외선을 흡수 및 방출하는데, 이 문제는 오렌지색 인광(Phosphorescence)를 발산 가능한 망간 (Mn) 이온을 ZnS 나노입자에 고효율로 도핑해서 해결하였다.

  두번째는 ‘삼광자 흡수 현상’이라는 비선형 광학 원리를 동물 실험에 적용, 고해상도 생체광학 영상을 구현한 첫 번째 사례라는 점이다.

  Mn 이온이 도핑된 ZnS 나노입자를 암이 이식된 쥐에 꼬리 정맥 주사로 투여, 삼광자 현상에 의해 발산된 신호를 암조직 및 혈관에서 관찰할 수 있었다.

3. 결과

  Mn 이온이 도핑된 ZnS 나노입자를 얇은 필름으로 건조시켜 오랜지 색의 빛이 발산되는 삼광자흡수현상을 확인하였다.  

  이 나노입자를 수동적, 능동적 타겟 처리를 통해 가공한 후, 세포와 동물을 사용하여 이미징하였다. 살아있는 세포의 긴 시간 영상에 성공하였으며, 나노입자를 주사한 동물의 조직학적, 혈청학적인 분석을 통해 생체에 독성이 거의 없음을 증명하였다. 

  이렇게 확인된 무독성의 나노입자는, 암이 이식된 쥐의 꼬리 정맥으로 투여되었으며, 이광자현미경을 통해 피하조직의 암세포와 혈관에서 나오는 삼광자현상에 의한 발산 신호를 고분해능으로 획득하는데 성공하였다.

  이 연구 결과는 몸에서 대사가 가능한 이온으로 구성된 무독성 반도체 나노입자(ZnS)를 동물실험에 적용한 첫번째 실험 성공 사례이다.

  또한, 반도체 나노입자(ZnS)의 삼광자흡수현상이 이미 상용화되어 있는 이광자현미경을 통해 생체광학영상을 구현할 수 있을 정도로 매우 높은 효율을 갖고 있다는 것을 분광분석, 세포 및 동물 실험을 통해서 처음으로 증명, 삼광자현상을 통한 생체광학영상을 처음으로 구현하였다.

  본 연구는 분자영상(MRI, PET, CT)과 광학영상(Microscope, Endoscope)에 대한 상호보완성이 높아, 생체조직 내에서 고해상도 영상 획득을 가능케 했으며, 무독성의 나노입자를 활용하여 다양한 질병의 조기 진단 및 치료에 대한 효율성을 높일 수 있는 가능성을 제시한다는 점에서 의의가 깊다.

4. 기대효과

  유해성 논란이 있었던 기존 반도체 나노입자 대체할 수 있으며 이 기술을 통해 MRI, CT 등 기존 영상의학 기술보다 고해상도의 영상을 얻을 수 있어 암 등 다양한 의료분야에 적용이 가능하다.
  특히 조직을 세포수준으로 관찰해 정상조직과 질병조직의 명확한 경계를 제시할 수 있어 더욱 정확한 질병진단 및 치료가 가능할 것으로 예상된다.

그   림   설   명

(그림1) 적외선 영역대의 삼광자를 흡수한 나노입자가 오렌지색을 발광하여, 콜라겐 (파란색)으로 둘러쌓여 있는 암조직 내부의 2 마이크로미터 이하의 혈관벽을 선명하게 관찰할 수 있었다 (오렌지색)

(그림2) 적외선 영역대의 삼광자를 흡수한 나노입자가 오렌지색을 발광하여, 콜라겐 (파란색)으로 둘러쌓여 있는 암조직 내부의 암세포들을 선명하게 관찰할 수 있었다 (오렌지색)

(그림3) 근육조직에 침투시킨 나노입자는 삼광자를 흡수하여, 조직의 표면에서부터 265마이크로미터 깊이까지 오랜지 색을 발광하는 것을 관찰하였다.

(그림4) 나노입자를 투여한 쥐의 암 발생 부위에서, 삼광자 현상을 통해 얻은 생체영상 이미지는 하나 하나의 암세포(오렌지 색)를 구별하기에 충분한 분해능을 보인다.