아마도 과학에 대해 조금이라도 관심이 있는 사람이라면, 나노(nano) 기술에 대해서는 들어보았을 것이고, 나노기술에 의해 향후 미래사회가 엄청나게 바뀔 것이라는 전망을 많이 보았을 것입니다.  그 중에서도 특히 의학분야에 적용되고, 이에 대한 적용기술이 상용화되는 시점 정도에는 현재의 의학기술에 있어 혁명적인 변화를 가져올 것이라는 이야기까지 나옵니다.  도대체 나노기술이 어떻게 의학의 판도를 바꿔놓을 수 있는 것일까요?   오늘은 나노의학(nano-medicine)의 적용분야 중에서 영상의학 기술분야에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

나노의학 전반에 대한 글과 약물전달 시스템에 대한 내용은 이전 포스팅 들을 참고하시기 바랍니다.  아래 링크를 따라가시면 보실 수 있습니다.

2008/12/31 - [수술공학/의공학] - 나노기술이 약물 투약의 방식을 바꾼다.
2008/12/30 - [수술공학/의공학] - 나노가 뭐길래 의학 혁명을 운운하나?


의학영상을 위한 나노물질의 개발수준

아래 그림에서 보는 바와 같이, 의학영상을 위한 나노물질의 개발수준은 다른 치료용 기술들에 비해 많이 앞서 있습니다.  이는 치료제로 쓰이는 경우에는 상당한 기간의 임상시험이 필요한데 비해, 진단용 기술은 비교적 짧은 임상을 통해 시장에 진출이 가능하기 때문입니다.  현재 풀러린(Fullerene)과 금 나노파티클, 그리고 은 나노파티클이 시장에서 판매가 되기 시작했습니다.  또한, 다양한 종류의 나노물질들이 기본적인 가능성은 확인이 되어, 현재 상용화를 위한 연구가 한창 진행중입니다.



MRI, CT, 핵의학 그리고 초음파 영상

현재 흔히 쓰이는 영상의학 장비의 진단영상을 위해 다양한 나노물질을 이용한 기술들이 개발되고 있습니다. 

핵의학은 감마선을 발생하는 방사선 물질을 몸에 주사를 해서, 이 물질이 발하는 방사선을 영상화하는 방법입니다.  그 중에서도 PET(Positron Emission Tomography)라고 불리는 기계가 유명한데, 보통 암의 진단이나 심장병 진단에 많이 이용됩니다.  현재 이러한 핵의학 영상을 위해 매우 작은 perfluorocarbon 나노파티클이 조영제(contrast agents)로 개발 중에 있습니다.  이 나노파티클을 현탁액으로 만든 뒤에, Technitium-99m과 같은 전통적인 핵의학용 방사선 동위원소를 나노파티클에 부착을 시킬 수가 있습니다.  또한, 동시에 나노파티클에 원하는 조직이나 세포 등을 표적으로 삼을 수 있는 물질들을 쉽게 부착을 할 수 있기 때문에 원하는 조직을 보는데 유용합니다.  현재 새롭게 만들어지는 신생혈관의 형태를 주로 보여주는 기술이 개발 중에 있는데, 신생혈관 영상을 명확하게 볼 수 있다면 특히 암 조직의 발달과 혹시 있을 수 있는 전이암을 진단하는데 큰 도움이 될 것으로 기대하고 있습니다.

MRI라는 약자로 많은 분들이 잘 알고 있는 자기공명영상장치(Magnetic resonance imaging)를 위한 조영제도 개발되고 있습니다.  MRI의 원리에 대해서는 다음에 언젠가 자세히 다루겠지만, 자석으로 수소 원자의 스핀을 정렬한 뒤에, 이를 풀면서 풀리는 반응의 차이를 검출해서 영상화를 하게 됩니다.  해상도가 높고, 자세한 영상을 볼 수 있으며 특히 신경조직이나 뇌 등과 같이 수분이 풍부한 조직을 보는데 탁월한 능력을 발휘합니다.  현재 MRI 영상장치를 위한 조영제로는 가돌륨(gadolinium), 철(iron), 망간(manganese) 등이 있습니다.  나노파티클을 이용한 MRI 조영제 역시 핵의학 조영제와 마찬가지로 perfluorocarbon 나노파티클 현탁액의 형태로 개발되고 있습니다.  이 나노파티클은 지질층으로 둘러싸여 있어 비교적 쉽게 항체나 단백질을 부착시킬 수 있어 표적 영상을 만드는데 유용합니다.  MRI를 이용한 동맥경화 플라크(plaque)나 핵의학 영상과 마찬가지로 신생혈관을 영상화하는데 유용할 것으로 기대하고 있습니다.  또 한가지 MRI 용으로 개발되고 있는 것에는 풀러린(fullerene)이 있습니다.  풀러린은 탄소로 만들어진 매우 작은 비어있는 축구공의 형태인데, 내부에 다른 작은 분자를 채울 수 있습니다.  현재 수용성 가돌륨의 일종인 [Gd2C82(OH)30]을 풀러린 내부에 채워서 영상화 테스트를 하고 있습니다.  풀러린에 가돌륨 대신 홀퓸(holmium)을 이용하면 X-ray/CT용 조영제로도 쓸 수 있습니다.

초음파 진단용으로는 그동안 조영제로 미세한 공기방울을 이용한 연구가 많이 진행되었습니다.  앞서 언급한perfluorocarbon 나노파티클이 초음파 조영제로도 사용이 될 수 있다고 합니다.  기존의 마이크로 공기방울만큼 선명한 조영효과를 가져오지는 못하지만, 조직의 표면이나 세포에 집중이 되기 때문에 상당히 좋은 영상을 얻을 수 있습니다.


광학영상 (Optical Imaging)

나노물질을 이용한 차세대 의학영상 기술에 있어 가장 중요한 영상부분은 역시 광학영상입니다.  현재 광학영상은 여러모로 임상 진단의학에서는 많이 쓰이고 있지 않습니다.  주로 수술용 현미경이나 복강경/내시경, 또는 최종진단을 위한 조직병리 검사를 위한 각종 진단용 현미경 기술 정도가 현재의 용도입니다.

그렇지만, 광학영상의 중요성은 날이 갈수록 중요해지고 있습니다.  특히, 단백질-리간드 상호작용이나 유전자의 발현을 검출하는 것과 같은 세포-단백질-유전자 수준의 기능성 영상을 보여줄 수 있기 때문에 향후 커다란 발전이 있을 것으로 예상됩니다.  광학영상에 있어서 가장 중요한 것은 다양한 조영방법입니다.  기존의 다른 영상장치들과는 달리 광학영상의 조영을 위한 약물은 그 종류도 매우 다양합니다.  흡수(absorption)와 반사(reflectance), 그리고 형광(fluorescence) 및 생체발광(bioluminescence) 등의 특성을 가진 조영제의 개발이 가능합니다.

그 중에서도 가장 주목을 받고 있는 것이 퀀텀닷(quantum dots) 입니다.  퀀텀닷은 반도체 나노파티클로 독특한 광학적인 특징을 가지고 있습니다.  파티클의 크기를 조금씩 변화시키거나 조성을 조금만 바꾸어도 서로 다른 파장의 강력한 형광을 발현합니다.  빛을 흡수한 뒤에, 흡수한 빛과는 다른 파장의 형광빛을 발하게 되는데 이를 쉽게 조절할 수 있기 때문에 다양한 응용이 가능합니다.  퀀텀닷 이외에도 그동안 많이 이용되던 형광물질들이 있습니다만, 기존의 형광물질은 형광의 빛도 약하고, 정해진 파장의 빛만 발하기 때문에 퀀텀닷의 뛰어난 광학적 특성과는 큰 차이가 납니다. 

좌측의 그림은 살아있는 쥐의 영상으로 퀀텀닷이 얼마나 강력한 빛을 발하는지 보여주고 있습니다.  몸속에 있지만, 빛이 바깥으로 투과되어 보일정도로 강렬한 색상을 만들어 냅니다.  여기에서는 크기를 조금씩 다르게 만들어서 525nm(파란색)부터 800nm(약간 노랗게 보이는 색, 근적외선)까지의 파장을 보여주고 있습니다. (출처: BioMed Central, 제한없이 쓸 수있음)

현재까지의 기술로는 형광영상이 보통 3~4개 정도가 동시에 최대로 만들어낼 수 있는 형광색상의 수입니다.  그것도 각각의 형광물질을 떨어뜨리고 사진을 찍고, 씻어내고 다시 다른 형광물질을 떨어뜨리고 하는 과정을 반복해서 마지막에 영상을 중첩시켜서 얻어낼 수 있는 것입니다.  그에 비해 퀀텀닷은 동시에 다양한 조합으로 목표로 하는 단백질을 컬러영상으로 볼 수 있게 해줍니다. 


그 밖에 골드쉘 나노파티클은 조영제인 동시에, 향후 외부의 특정 파장을 가진 적외선으로 발열을 시킬 수 있어 치료제로도 이용할 수 있도록 개발이 되고 있습니다.  이와 같이 나노물질이 향후 의학영상 부분에 있어서도 상당한 발전을 이루게 만들어 줄 것으로 기대가 됩니다.  특히, 세포와 단백질 수준의 광학영상을 통해 보다 정교한 우리 몸의 신비를 밝혀내는데 커다란 발전이 있을 것 같습니다.


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미래는 하이컨셉, 하이터치의 세계라고 합니다. 너무 메마르고 딱딱한 이야기보다는 글로벌 시대에 어울리는 세계 각국의 이야기, 그리고 의학과 과학을 포함한 미래에 대한 이야기의 세계로 여러분을 초대합니다.

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휴대폰을 이용해서 혈액분석 및 중요한 전염병을 일으키는 병원체를 탐지하는 개조방법이 UCLA 교수에 의해서 소개되었습니다.  Wired 지에 원문이 소개되었는데, 원문은 아래 URL을 참고하시기 바랍니다.

http://www.wired.com/science/discoveries/multimedia/2008/12/gallery_microscope_phone?slide=1&slideView=3


우리나라나 미국, 일본 등의 국가에서는 식약청의 허가 사안이 더 중요하겠지만, 아프리카의 여러 나라들과 같이 경제적 여건이 좋지 않은 국가에서는 싼 가격에 질병을 진단하는 것이 무척이나 중요합니다.  UCLA의 Avdogan Ozcan 박사가  휴대폰에 LED와 플라스틱 광학 필터, 그리고 약간의 전선을 가지고 포터블 진단기로 개조하는 방법을 공개해서 화제가 되고 있습니다. 

정상적인 경우라면 혈액검사기기는 적어도 수 백만원 정도가 들고, 기기를 잘 이용하는 테크니션도 필요하기 때문에 아프리카의 여러 지역에 있는 병원체를 돌아다니면서 탐침하는 것과 같은 작업에 이용이 불가능합니다.  물론 시료를 채취해서 테스트를 할 수 있겠습니다만, 시간도 걸리고 비효율적이지요 ...

LED에서 나오는 빛을 필터를 이용해서 특정 스펙트럼의 빛만 이용하고, 휴대폰에 달려있는 카메라를 센서로 사용하면서 휴대폰에 분석 소프트웨어를 설치하는 방법으로 이런 변신이 가능하다고 합니다.  휴대폰이 비싼 혈액검사 장비로 둔갑하는 과정을 보시죠?


일단 휴대폰 뒷쪽에 샘플을 비출 필터된 광원을 답니다.





휴대폰의 뒷면을 열고, 혈액샘플 슬라이드를 CCD 센서 위에 올립니다.  그리고, 사진을 찍습니다.
사진에서 보이는 푸른 빛의 광원을 이용해서 보이는 영상을 가지고 진단을 합니다.




휴대폰에서 받아온 사진을 컴퓨터로 분석합니다. 
아직까지는 소프트웨어가 휴대폰에서 동작하지 않기 때문에 이런 과정을 거치지만,
휴대폰용 소프트웨어가 개발되면 PC가 없어도 되겠지요?





이 그림은 휴대폰이 변신하는 과정과 찍은 영상에 대해서 잘 정리해서 보여주고 있습니다. 
센서가 매우 작지만 충분히 세포를 관찰하는데에 아무런 문제가 없네요 ...



흠 ...  이 정도는 우리나라에서도 쉽게 만들 수 있을 것 같은데요?  소프트웨어가 좀 문제이기는 한데 말이죠 ...


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매년 이맘 때면 발표되는 몇 년도 10대 뉴스 ...  이런 것들을 보면서 좀 진부하다 생각했었는데, Scientist에서 2008년의 10대 혁신을 발표했네요.  내용을 보니 많은 분들에게 알리고 싶은 생각이 들어서 이렇게 포스팅을 합니다.  원문은 아래 URL로 가시면 됩니다. 

http://www.the-scientist.com/2008/12/1/45/1/


10개의 기술을 하나의 포스팅에 모두 설명하기에는 너무 부담이 커서 5개씩 2차례로 나누어 소개하겠습니다.
오늘은 5위부터 1위를 소개하겠습니다.  6~10위는 아래 포스트에 소개되어 있습니다.

2008/12/16 - [수술공학] - 2008년을 빛낸 의생명과학분야 10대 혁신은? (1)


5위:  생체내 세포주기 영상기술



Courtesy of RIKEN Brain Science Institute


5위는 형광영상에 기반을 둔 세포주기 영상기술입니다.  역시 광학영상이 대세입니다.  Fucci(Fluorescent ubiquitination-based cell cycle indicator)라고도 하는군요 ...  이 기술이 중요한 이유는 항암제를 개발할 때 유용하기 때문입니다.  항암제가 종양세포의 분열과 이동에 어떤 영향을 미치는지 생체 내에서 추적이 가능합니다.  이 기술개발에 성공한 RIKEN Brain Science Institute는 일본 와코에 있는 연구소입니다.  작동원리는 녹색과 적색의 형광을 발하는 단백질을(GFP, RFP)를 세포분열을 조절하는데 중요한 Cdt1과 Geminin이라는 유전자에 붙여서 추적을 하는 것입니다.  이 기술은 MBL 인터내셔널에 라이센스가 되었는데 어느 정도의 가격으로 판매 및 상용화할지 궁금하네요.


4위: 오픈소스 시퀀싱 (Open Source Sequencing)


Courtesy of Dover, A Danaher Motion Company


의생명과학 분야에도 오픈소스 열풍이 대단합니다.  위의 그림에 소개하는 Polonator G.007 이라는 기기는 처음으로 오픈소스로 만들어진 유전자 시퀀싱 기기입니다.  기기의 모든 소프트웨어와 하드웨어 스펙이 모두 공개되어 있으며, 아무런 지적재산권을 행사하지 않습니다.  또한, 보통 이런 종류의 기기를 만들 때 특정회사의 시료를 지속적으로 공급받아서 써야했는데, 이 부분에 있어서도 일반적인 시료를 구입해서 쓰면 됩니다.  모듈화된 디자인으로 조립과 통합이 쉽고, 다양한 형태로 변형도 가능합니다. 

기계 자체는 15만불에 팔리고 있는데, 비싼 것 같지만 시장에서 가장 싼 기기라고 할 수 있습니다.  여차하면 만들수도 있지만, 충분히 투자할 만하기 때문에 큰 인기를 얻고 있습니다.  저는 개인적으로 이 기술과 기기를 1등으로 하고 싶네요.


3위:  Custom Zinc Finger Platform


Courtesy of Sigma-Aldrich


새로운 커스텀 아연-핑거 단백질 생성 서비스가 나왔습니다.  CompoZr이라고 불리는 이 서비스는 살아있는 생물체의 유전자를 조작할 수 있는 획기적인 기술로 캘리포니아에 있는 바이오 기술업체인 Sangamo Bioscience가 개발했습니다.  이 플랫폼을 이용하면 아연 핑거(zinc finger)가 사용자가 지정한 특정 DNA 시퀀스를 염기서열 하나까지도 녹아웃(knock-out) 시키거나 녹인(knock-in) 시킬 수 있습니다.  Sigma-Aldrich가 판매에 나선다고 하니 큰 시장이 되겠군요.


2위:  연속초점 현미경 (Continous Focus Microscopy)


Courtesy of Nikon Instruments


2위는 니콘의 새로운 현미경이 차지했습니다.  기존의 현미경의 가장 큰 문제점이라 할 수 있는 초점변경(focus drift) 문제를 해결한 것인데, 특히 배양중인 세포영상에 있어 획기적인 기술이라 하겠습니다.  니콘의 이 기술은 PFS(Perfect Focus System)이라고 명명되었는데,  반달 형태의 적외선이 5ms 마다 초점을 추적해서 자동으로 렌즈를 조절합니다 (Wow!).  시간을 두고 촬영하는 타임랩스(time-lapse) 영상이나 세포의 분열과 관련된 연구에 있어 획기적인 전기를 마련했다고 할 수 있겠습니다.  PFS 기술이 적용되면 기존의 현미경 가격에서 만불 정도의 인상효과가 발생한다고 하는데, 그 정도야 ...



드디어 대망의 1위는 ... 두둥 .... !!!


저비용 시퀀싱 (Low Cost Sequencing)


Courtesy of Applied Biosystems


흠 ...  글쎄요. 저는 좋은 기술이라고는 생각합니다만, 1위까지는 좀?  유명한 바이오 업체인 AB(Applied Biosystems) 사의 SOLiD의 신모델입니다. 6만불이라는 파격적인 가격으로 올해 출시되었는데, 가격도 싸지만 엄청나게 빠른 속도로 시퀀싱을 한다고 합니다.  한 번 돌리면 6 기가베이스를 만들어 낼 수 있다고 대단하기는 하네요 (최고기록은 13 기가베이스). 


이상으로 2008년 10대 혁신기술을 소개했습니다.  1위 발표가 사실 조금 김이 빠져 버리네요 ...  좀더 뭔가 획기적인 것을 바랬는데 ...   내년에는 훨씬 더 진보한 기술을 만나볼 수 있을 것으로 기대합니다.


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미래는 하이컨셉, 하이터치의 세계라고 합니다. 너무 메마르고 딱딱한 이야기보다는 글로벌 시대에 어울리는 세계 각국의 이야기, 그리고 의학과 과학을 포함한 미래에 대한 이야기의 세계로 여러분을 초대합니다.

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매년 이맘 때면 발표되는 몇 년도 10대 뉴스 ...  이런 것들을 보면서 좀 진부하다 생각했었는데, Scientist에서 2008년의 10대 혁신을 발표했네요.  내용을 보니 많은 분들에게 알리고 싶은 생각이 들어서 이렇게 포스팅을 합니다.  원문은 아래 URL로 가시면 됩니다. 

http://www.the-scientist.com/2008/12/1/45/1/

10개의 기술을 하나의 포스팅에 모두 설명하기에는 너무 부담이 커서 5개씩 2차례로 나누어 소개하겠습니다.


10위:  Mix & Match Microfluidics



Courtesy of Minsoung Rhee/University of Michigan, Ann Arbor


Microfluidics는 대규모 바이오 제약업에 큰 영향을 미치고 있습니다.  그렇지만, 실제로 이러한 칩을 생물학자들이 마음대로 만들 수 없고 공학자들에게 의뢰를 해서 만들어야 하기 때문에 효율이 적다는 것입니다.  올해의 혁신 10위에는 미시건 대학의 Mark Burns 교수와 대학원 학생인 Minsoung Rhee(한국사람 같네요. 이민성씨)가 개발한 레고 블록처럼 맞출 수 있는 형태의 microfluidics 기술이 차지했습니다.  이 기술의 논문은 Lab Chip지에 올해 실렸네요 ...


9위: Optical Lock-In Detection FRET


Figure Adapted from MAO et ak (2008).


9위는 저의 전공분야인 광학 분야의 기술이 차지했네요.  좀 어려운 개념이라 여기에서 간단히 설명하기가 쉽지 않습니다.  기존의 FRET이라는 기술로 볼 수 없었던 조직 내에 있는 단백질 간의 상호작용을 변형된 FRET 기술로 볼 수 있게 한 것입니다.  FRET이라는 기술은 단백질간의 에너지를 주고받은 특성을 이용해서 영상을 검출할 수 있는 것인데 (너무 전문적인 부분이라 간략히 설명합니다), 보통 단백질 사이의 거리가 8 nm 보다 가까워야 나타나는 현상입니다. 

그런데, 배경 단백질이 형광을 발하면 관찰하기가 매우 어렵습니다.  위스콘신 대학의 매리어트 교수 그룹은 단백질의 특성을 약간 변경해서 스위치처럼 동작하도록 하여 원하는 시기에 상호작용을 볼 수 있도록 하여 이 문제를 해결했습니다.  보통 사람들이 이해하기에는 어째서 10대 혁신인지 이해하기 힘들듯 하네요 ...


8위:  백색 레이저 공초점 기기

8위 역시 광학기술이 차지했네요.  국내에서는 돈이 많이 들어서 연구를 시작하기가 쉽지 않은데, 역시 최근의 추세는 광학분야인 듯 합니다.  전통적인 공초점(confocal) 광학기기는 기기에서 사용가능한 LED나 레이저, 그리고 형광염색시료에 의해 볼 수 있는 것들이 제한되는 단점이 있습니다.  오래 Leica에서 내놓은 TCS SP5 X 라는 기기는 470~670 nm 에 이르는 백색 레이저를 이용하여 동시에 8개 이상의 형광을 발하게 할 수 있습니다. 

사실 이 기술은 저의 전공분야와 상당한 관계가 있는데, 아마도 Fianium 레이저를 썼을 것으로 추측되고 AOTF 같은 필터를 이용했을 것 같습니다.  학문적으로는 대단하다고 생각되지는 않는데, 유용성이 높게 평가받은 것 같습니다.


7위:  X-ray와 다중스펙트럼 신호의 결합



Courtesy of Carestream Molecular Imaging


헉 ..,  이번에도 제가 전공한 분야네요.  특히 다중스펙트럼 영상은 제가 박사학위를 받은 분야이기도 합니다.  사실 여기 소개된 코닥의 새로운 In-Vivo 다중스펙트럼 영상 시스템보다는, 광학 측면에서는 현재 USC 의공학 박사학위를 하고 있는 황재윤씨가 만든 시스템이 훨씬 좋은데 아무래도 상용화 시스템이라 조명을 받는 것 같습니다.  물론 이 기기는 X-ray 영상도 같이 보여준다는 장점이 있습니다.

다중스펙트럼 영상을 X-ray와 같이 이용할 때, 작은 동물의 질병이나 치료방법이 어떻게 효과를 발휘하는 지를 살아있는 상태에서 기능적으로 추적할 수 있는 장점이 있습니다.  실제로 제가 있었던 팀에서도 항암제가 살아있는 쥐에서 어떻게 분포를 하는지를 추적한 바도 있습니다.  이 기기의 가격은 약 $175,000불 입니다.  2억원이 넘는군요.  한국에서도 만들 수 있는데, 한 번 만들어 보자고 해야겠습니다.


6위:  PET/MRI 결합 기술


Courtesy of Simon Cherry, UC Davis


6위를 차지한 기술은 현대의학기술의 총아로 불리우는 MRI와 PET을 결합하는 기술이 받았습니다.  이 기술은 사실 한국에서도 가천의대 조장희 박사 연구팀에서 열심히 연구하고 있는 분야이기도 합니다만, UC Davis에서 한발 앞서가는 것 같습니다.  UC Davis의 Simon Cherry가 이 기술을 개발하기 시작한지가 10년이 넘었습니다만, 드디어 기술의 검증에 성공하고 논문(네이처 메디슨)을 출판했네요 ... 


조금은 전문적인 내용이라 보통 분들에게는 어려운 내용이었을 것 같습니다만 ...  이렇게 바이오 테크놀로지가 발전함에 따라 의생명과학이 훨씬 빠르게 성과를 낼 수 있다는 점에서 언제나 주목해야할 분야입니다. 

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미래는 하이컨셉, 하이터치의 세계라고 합니다. 너무 메마르고 딱딱한 이야기보다는 글로벌 시대에 어울리는 세계 각국의 이야기, 그리고 의학과 과학을 포함한 미래에 대한 이야기의 세계로 여러분을 초대합니다.

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