김도경 교수, 나노입자 이용해 새로운 생체영상화 소재 개발
기존 방식에 비해 안정성 높고, 영상도 크게 개선돼
“특정 부위에 약물을 전달하는 시스템 개발 가능성 높아져”

우리 몸에서 일어나는 질병의 반응 및 확산정도, 약물의 효능을 실시간으로 관찰할 수 있게 만든 것이 생체영상화(photoacoustic Imaging) 기술이다. 의학계에서는 이를 활용해 병을 진단하고 치료하며, 나아가 신약도 개발한다. 이때 특정 조직이나 혈관을 관찰할 수 있도록 인체에 생체영상화 소재를 투여한다. CT나 MRI 등을 촬영하기 전 주사하는 약물(조영제)이 바로 그것이다.

김도경 의과대학 교수 연구팀이 최근 한국과학기술원(KAIST), 캘리포니아주립대 샌디에고(University of California, San Diego) 연구팀과 공동으로 기존보다 성능이 향상된 광음향(빛을 흡수해 열과 음향적 반응을 나타내는 현상) 생체영상화 소재를 개발했다. 다공성 실리콘 나노입자(porous silicon nanoparticle) 내부에 광음향 영상 조영제를 넣으면 기존 방식보다 더 크고 선명한 영상을 볼 수 있다.

기존 방식보다 훨씬 크고 선명한 영상 볼 수 있어
김도경 교수팀의 이 같은 연구 성과는 ‘다공성 실리콘 나노입자를 이용한 향상된 성능의 광음향 생체영상화소재 개발(Enhanced Performance of a Molecular Photoacoustic Imaging Agent by Encapsulation in Mesoporous Silicon Nanoparticles)’이라는 제목으로 소재 분야 세계 최고 권위 저널 <Advanced Materials> 온라인 판에 게재됐다.

지난해 김 교수는 다공성 실리콘 나노입자를 이용한 광발성(photoluminescence) 생체영상화 소재를 개발했다. 이를 투여하고 이광자 현미경 기술을 이용하면 살아있는 동물에서 생체영상화를 할 수 있음을 최초로 확인했다. 이 논문 역시 <Advanced Materials>에 실렸다.

현재 사용되는 ICG는 미국식품의약국(FDA) 승인을 받았지만 혈관 내부에 축적돼 혈관을 막거나, 독성을 일으키는 등 부작용이 발생할 우려가 있다. 또한 원하는 부위에 도달하기 전 분해되는 경우가 있어 적정치보다 많은 양을 투여하는 경우도 있다.

다공성 실리콘 나노입자에 ICG를 적재해 투여한 후 뇌 영상을 촬영한 모습(제일 아래). 기존 방식에 비해 더 크고 선명한 영상을 볼 수 있다.

조영제 부작용 줄이고, 사용량도 크게 줄일 수 있어
하지만 다공성 실리콘 나노입자를 이용하면 위와 같은 문제를 극복하고, 효율도 높일 수 있다. 김도경 교수는 “이번에 개발한 방식을 사용하면 조영제가 혈관에 쌓이거나 체내에서 분해되는 것을 막을 수 있어 안전하고, 소량으로도 생체를 영상으로 볼 수 있다”라고 말했다.

김 교수는 “영상 효율도 17배가량 더 높은 것을 확인했다”라며 “이번 연구는 나노 소재를 이용해 뇌에서 광음향 생체영상화를 수행하고, 그 효능을 입증했다는 점에서 의의가 크다”고 말했다.

다공성 실리콘 나노입자는 활용 범위가 넓다. 김도경 교수는 “다공성 실리콘 나노입자는 표면을 어떻게 처리하느냐에 따라 질병, 조직, 환자 별로 적합한 약물을 전달할 수 있다”라고 말한다.

유전적 질병 진단과 치료에 기여하는 공동연구 계속
장점은 또 있다. 다공성 실리콘 나노입자 표면을 어떻게 처리하느냐에 따라 영상 촬영 시간을 조절할 수 있고 원하는 부위에 약물을 투여할 수도 있어 진단과 치료에 큰 도움을 줄 수 있다. 김 교수는 “이를 임상에 적용하는 연구를 진행하고 있다”라고 덧붙였다.

김도경 교수는 다공성 실리콘 나노입자가 인류의 오랜 도전 과제인 알츠하이머를 정복하는 데 기여할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 김 교수는 “세계 유명 제약회사들이 알츠하이머 치료제를 개발하고자 막대한 예산을 투입했는데 선택적 약물 전달 시스템의 부재로 실패했다”라며 “나노입자를 활용한다면 이 문제를 풀 수 있을 것이라고 생각한다. 약물을 뇌로 정확히 보낼 수 있는 기술을 개발해 알츠하이머를 진단하고 치료하는 것이 오랜 꿈이다”라고 말했다.

김 교수는 “이번 공동 연구는 팀워크가 좋아 시너지 효과가 나올 수 있었다”면서 “현재 유전자 가위를 나노입자에 적재해 유전적 질병을 치료하는 공동 연구도 진행하고 있는데 좋은 성과를 거둬 난치병 치료에도 기여하고 싶다”라고 말했다.

다공성 실리콘 나노입자(porous silicon nanoparticle) 내부에 ICG 조영제를 적재하고(그림 a), 이를 투과 전자 현미경(TEM)으로 관찰한 모습(그림 b, c). ICG 조영제를 적재하기 전과 후의 색 변화도 확연하다(그림 d).

 

<김도경 교수 프로필>

의과대학 해부학신경생물학교실 조교수. 질병진단 및 생체영상화 소재 개발, 약물 전달 시스템 개발, 질병 극복을 위한 나노 융합시스템 발굴 등에 대해 연구 중이다. 포항공과대학교에서 석·박사 학위를 취득한 후 동 대학과 캘리포니아주립대 샌디에고(University of California, San Diego)에서 연구원으로 지냈다. 주요 연구로는 Advanced Materials, 2017 (IF=19.791), Journal of American Chemical Society, 2016 (IF=14.357), Chemical Society Reviews, 2015 (IF=38.618) 등이 있다.

한승훈(커뮤니케이션센터, aidenhan213@khu.ac.kr)