암 진단·치료용 생체적합성 나노소재 - cheric석에 긴 시간이 필요해 신속한...
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320 … NICE, 제36권 제3호, 2018
신진연구자 칼럼
서론
현대인을 위협하는 질병 중 하나인 암은 OECD 회
원국 전체 사망원인의 25%를 차지할 정도로 의학 기
술이 상당히 발달한 현대에도 여전히 치료하기 어려
운 질병으로 손꼽히고 있다. 보건복지부가 2017년에
발표한 국가암등록통계에 따르면 가장 많이 발생한
암은 위암이었으며, 이어서 대장암, 갑상선암, 폐암,
유방암, 간암, 전립선암 순이었다. 가장 많은 사망자
를 낸 암은 폐암이었으며, 간암, 대장암 등이 그 뒤를
따랐다. 최근 암 진단·치료기술의 발전에 힘입어 암
환자의 생존율은 지속적으로 향상되어 왔으며, 특히
갑상선암, 전립선암, 유방암 등은 90%가 넘는 상대생
존율1을 보였다. 또한 위암(75.4%), 간암(33.6%), 폐암
(26.7%) 등은 과거 대비 상대생존율이 10%p 이상 증
가하였으며, 전체 암 환자의 절반이 10년 이상 생존
하는 것으로 나타났다.
이러한 암 환자의 상대생존율 증가는 진단 기술의
발전과 진단 기기의 보급에 따른 조기진단 기회의 확
대에 기인한다. 특히 비침습적 영상진단기술인 전산
화단층촬영(computed tomography, CT), 자기공명영
상(magnetic resonance imaging, MRI), 양전자단층촬영
(positron emission tomography, PET) 등의 발전은 보다
편리하고 정확한 암 진단을 가능하게 했다. 그러나 대
부분의 영상진단에는 많은 비용이 소요되며, 결과 분
석에 긴 시간이 필요해 신속한 진단이 어렵다. 또한
촬영 과정에서 발생하는 방사선 및 조영제로 이용되
는 방사성 동위원소, 요오드(I), 가돌리늄(Gd)계 전이
금속 등은 인체에 유해한 것으로 알려져 있으며, 두드
러기, 부종 등 비교적 가벼운 증상에서부터 과민성 쇼
크, 심정지 등 심각한 부작용을 동반하기도 한다.
암 진단 후에는 일반적으로 외과적 절제를 거쳐,
약물치료 또는 방사선치료 등의 항암치료와 함께 경
과 관찰을 반복한다. 이러한 치료 과정은 회복에 오
랜 시간이 걸릴 뿐만 아니라 매우 고통스러운 것으로
알려져 있는데, 특히 항암치료에 사용되는 방사선 및
항암제는 암세포뿐만 아니라 일반세포도 무차별적으
로 공격하여 구토, 피부 염증, 탈모 등의 부작용을 야
기한다.
암 진단·치료 과정에서 발생하는 부작용을 해소
하기 위한 대안으로 최근 나노소재를 이용해 정상조
직 손상 없이 암세포를 확인하고 제거하는 방법이 주
목 받고 있으며, 관련 연구가 전세계적으로 활발히
암 진단·치료용 생체적합성 나노소재
권우성
숙명여자대학교 화공생명공학부
2010 POSTECH 화학공학과 공학사 물리학과 이학사(부전공)
2011 POSTECH 화학공학과 공학석사
2013 POSTECH 화학공학과 공학박사
2014 Stanford University 화학과 박사후연구원
현재 숙명여자대학교 화공생명공학부 조교수
1환자의 생존율을 동일한 성별, 연령군을 가지는 일반 인구의 기대생존율로 나누어 구한 값.
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이루어지고 있다. 이러한 의료용 나노소재 연구는 나
노소재의 우수한 기능성과 표적성을 바탕으로 환자
별 맞춤 진단•치료를 구현하는데 그 목적이 있으며,
양자점(quantum dot), 고분자나노소재, 금속나노소재
등 다양한 형태의 나노소재가 연구되고 있다. 현재
기존 조영제와 항암제에 비해 우수한 효능과 다양한
기능을 가진 나노소재 개발이 주를 이루고 있으며[1],
의료용 나노소재 시장은 지속적으로 성장하여 2025
년에는 약 120억 달러에 이를 것으로 전망된다[2].
이러한 의료용 나노소재 시장의 성장과 발맞추어
임상 적용과 밀접한 관련이 있는 의료용 나노소재의
생체적합성에 대한 관심이 높아지고 있다. 나노소재
의 생체적합성은 소재 자체의 독성과 관련된 소재독
성과 체외 배출과 관련된 체내거동에 의해 결정되는
데, 아직까지 대부분의 나노소재가 인체에 유해한 원
소를 포함하고 있으며 또한 체내 축적 등 체내거동과
관련된 부작용에 대한 검증이 부족한 실정이다. 이로
인해 현재 미국 식약청(Food and Drug Administration,
FDA)에서 임상 시험 승인을 받은 나노소재는 미국
코넬(Cornell) 대학에서 개발한 실리카(silica)나노입자
등 수 종류에 불과하다[3](그림 1). 이에 최근 소재독
성 측면에서 유리한 탄소, 실리콘 등 4족 원소 기반의
나노소재 연구가 주목 받고 있으며[4], 본 기고에서는
대표적인 4족 나노소재인 탄소나노입자를 이용한 암
진단·치료 기술에 대해 소개하고자 한다.
본론
1. 탄소나노입자의 합성과 물성
탄소나노입자는 비정질 탄소로 구성된 수 나노
미터 크기의 입자로 우수한 화학안정성과 생체적합
성을 갖추어 차세대 의료용 나노소재로 주목 받고
있다. 탄소나노입자 합성법은 크게 바텀업(bottom-
up)법과 탑다운(top-down)법으로 나뉜다[5](그림
2). 바텀업법은 탄수화물 등의 유기분자를 탄화
(carbonization)하는 방법으로, 균일한 탄소나노입자
를 얻을 수 있다는 장점이 있지만 압력용기 등 부수
적인 장비를 필요로 한다는 단점이 있다. 탑다운법은
흑연, 석탄 등의 거대탄소체를 물리적, 화학적 방법
을 통해 나노크기로 분해하는 방법으로, 비교적 절차
가 간단하다는 장점이 있지만 탄소나노입자의 물성
을 조절하기 어렵다는 단점이 있다. 탄소나노입자는
자외선에서부터 근적외선에 이르는 넓은 영역의 빛
과 상호작용하며, 그 물성에 따라 광발광, 광발열, 광
그림 1. 실리카 나노입자(Cornell dots)의 소재독성 및 체내거동 관련 임상 시험.
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음향, 광역학 등 다양한 광학적 특성을 나타낸다(그
림 3).
탄소나노입자의 물성을 조절할 수 있는 대표적인
방법으로 도핑(doping)이 있다[6]. 도핑은 불순물을 첨
가해 새로운 에너지 준위를 형성하거나 기존의 에너
지 준위를 변화시키는 방법으로, 탄소나노입자의 경
우 붕소, 질소, 황, 인 등 비공유전자쌍을 갖는 원소
를 주로 이용한다. 이러한 비공유전자쌍은 비결합성
(non-bonding) 에너지 준위를 형성하여 탄소나노입자
의 광학적 특성에 영향을 미치며, 일반적으로 가시광
선 및 근적외선 영역에서의 흡광과 발광을 증가시키
는 경향을 보인다. 또한 결함 준위 형성을 통해 빛을
흡수하여 열로 방출하는 광발열 특성을 구현할 수 있
으며, 실제로 탄소나노입자 수용액에 근적외선을 조
그림 2. (a) 바텀업법과 (b) 탑다운법의 모식도. (c) 탄소나노입자의 전자현미경 사진 (직경 약 5 nm). (d) 탄소나노입자의 구조도.
그림 3. 탄소나노입자의 다양한 광학적 특성.
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사할 경우 용액 온도가 5분 이내로 50°C까지 상승하
는 것을 확인할 수 있다[7].
탄소나노입자의 표면에는 카르복실기(carboxyl
group), 하이드록실기(hydroxyl group), 카르보닐기
(carbonyl group) 등 다양한 작용기가 존재하며, 이
러한 작용기는 여타 소재와 결합하여 탄소나노입자
의 기능성을 향상시킬 수 있다. 특히 항체, 펩타이
드(peptide), 압타머(aptamer) 등의 표적성 물질 결합
을 통해 특정 수용체, 세포, 및 장기에 작용하는 표
적성 탄소나노입자를 제작할 수 있으며, 이는 탄소
나노입자를 활용한 진단·치료기술 개발에 있어 핵
심적인 역할을 담당한다. 그림 4는 생체유래 고분자
인 히알루론산(hyaluronic acid)이 결합된 표적성 탄
소나노입자가 표적 장기인 간으로 전달되는 과정
을 나타낸 것으로, 표적성이 없는 탄소나노입자에
비해 두 배 이상의 전달률을 보이는 것을 확인할 수
있다[8].
2. 탄소나노입자 기반 암 진단 기술
탄소나노입자의 물성 조절을 통해 가시광선에서
부터 근적외선에 이르는 다양한 광발광 특성을 구현
할 수 있으며, 이를 이용한 가시광영상, 근적외선영
상 등 여러 광영상 기술이 개발되고 있다. 가시광영
상은 촬영이 간편하고 결과 확인이 용이하여 주로
세포 관찰에 이용되며, 뇌암세포, 간암세포 등의 특
정 암세포를 표적하는 탄소나노입자를 이용한 가시
광영상 연구가 주목 받고 있다[9](그림 5). 또한 가시
광을 이용해 세포 내부의 이온농도를 광유전학적으
로 조절하고 이를 영상화할 수 있는 탄소나노입자
연구가 최근 발표되었다[10]. 근적외선영상은 물, 혈
액, 멜라닌 등에 의한 흡수가 가장 적은 근적외선(파
장 700~1200 nm) 영역의 빛을 이용한 영상 기술로 투
과율이 높고 배경신호가 거의 없어 장기 진단에 매우
적합하다. 탄소나노입자 기반 근적외선영상의 경우
현재 근적외선 제1영역(파장 700~900 nm)의 빛을 주
그림 4. 간 표적성 탄소나노입자의 전달 과정.
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로 이용하고 있으며[11] (그림 6), 투과율이 더 우수한
근적외선 제2영역(파장 1000~1200 nm)에서 광발광 특
성을 나타내는 탄소나노입자 개발이 진행되고 있다.
광음향영상(photoacoustic imaging)은 광음향 특
성을 이용한 초음파 영상기술로, 여기서 광음향 특
성이란 진동형(pulsed) 레이저를 이용해 발생된 열
을 초음파 형태의 파동으로 변환하는 성질이다. 물
성 조절을 통해 우수한 광음향 특성을 갖는 탄소나
노입자를 제작할 수 있으며, 이를 이용해 쥐의 림프
절을 성공적으로 영상화한 연구가 최근 발표되었
다[7](그림 7). 광음향 탄소나노입자는 대표적인 광
음향 물질인 금나노막대(gold nanrod), 메틸렌블루
(methylene blue)에 비해 높은 신호대잡음비를 나타
내며, 반복적인 레이저 노출에도 불구하고 광탈색
(photobleaching)이 발생하지 않는 우수한 광안정성
(photostability)을 가지는데, 이러한 장점은 고해상
도의 영상을 안정적으로 촬영하는데 유리할 것으로
기대된다.
3. 탄소나노입자 기반 암 치료 기술
광열 치료(photothermal therapy)는 암세포에 열을
가하여 직접 소멸시키거나 각종 항암치료가 더 효과
적으로 작용하도록 돕는 방법이다. 광열 치료는 42°C
이상의 온도에서 암세포가 회복 능력을 잃는다는 사
실에 착안한 방법으로 이에 대한 임상적 연구는 1970
년대 중반부터 본격적으로 추진되었다. 최근에는 외
부에서 라디오파를 이용해 환부를 가열하는 서모트
론(thermotron)을 주로 사용하나, 이러한 외부 가열 방
식은 환부 이외의 정상 조직에 피해를 입힌다는 단점
이 있다. 질소, 황 등 특정 원소가 도핑된 탄소나노입
자는 우수한 광열 특성을 나타내며, 이 때 발생하는
열은 암세포를 소멸시키기에 충분한 것으로 알려져
있다. 최근 이러한 광발열 탄소나노입자를 이용해 피
부암을 치료하는 연구가 주목을 받았으며[7](그림 8),
여기에 표적성을 부여하여 간암, 신장암 등 내부장기
암을 광열 치료하기 위한 기술이 개발 중에 있으나
낮은 전달률, 염증성 부작용, 주변 장기에 미치는 악
그림 5. 뇌암세포 표적성 탄소나노입자 가시광영상.
그림 6. 탄소나노입자를 이용한 근적외선영상 및 광발광 스펙트럼.
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영향 등의 난관이 존재한다.
광역학 치료(photodynamic therapy)는 빛에 노출된
광감작제(photosensitizer)와 산소의 화학적 반응에 의
해 생성된 반응성이 매우 큰 활성산소(reactive oxygen
species)를 이용하여 암세포를 소멸시키는 방법이다.
1970년대 후반부터 일본의 동경의과대학 등을 중심
으로 광역학 치료에 대한 임상 연구가 진행되었으며,
국내에는 1995년에 처음 도입되어 현재 관련 연구가
활발히 이루어지고 있다. 광역학 치료에 쓰이는 광감
작제는 정상세포 대비 암세포 축적도가 높고 투과도
가 우수한 근적외선 영역의 빛에 감응하는 것이 유리
하다. 탄소나노입자에 존재하는 결함 준위는 다양한
영역대의 빛과 감응하여 활성산소를 효과적으로 생
성하며, 항체, 펩타이드, 압타머 등의 표적성 물질 도
입을 통해 암세포 축적도를 획기적으로 높일 수 있
다. 이에 광역학 탄소나노입자를 이용해 피하유방암
을 효과적으로 치료한 연구가 보고되었으며[12](그림
9), 이후 다양한 종류의 탄소나노입자 기반 광역학 치
료제가 개발 중에 있다.
결론
보건산업통계에 따르면 2010년 이후 세계적으로
암 진단·치료제 산업은 연 7% 이상 꾸준히 성장하고
있으며 2020년경에는 500억 달러 규모의 시장을 형성
그림 7. 탄소나노입자를 이용한 쥐 림프절 광음향영상.
그림 8. 광발열 탄소나노입자를 이용한 피부암 치료.
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할 것으로 예측된다[13,14]. 또한 건강한 삶을 누릴 수
있는 기간인 건강수명에 대한 전 국민적인 관심과 기
대가 높아짐에 따라 암을 예방하고 치료할 수 있는
첨단 의약기술에 대한 수요가 점차 늘어나고 있다.
이러한 수요를 충족하는데 있어 의료용 나노소재는
매우 큰 잠재력을 가지고 있으며, 특히 기능적인 측
면에서는 이미 기존의 의약기술을 능가하는 것으로
평가된다. 결국 의료용 나노소재의 실용화를 위해서
는 임상 적용이 가능한 수준의 생체적합성을 확보하
는 일이 시급하며, 이를 통해 환자별 맞춤 진단·치료
로 대표되는 신속하고 안전한 차세대 의료서비스 실
현을 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.
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그림 9. 광역학 탄소나노입자를 이용한 피하유방암 치료.