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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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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 약물전달 분야에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

나노의학 전반에 대한 글은 이전 포스팅을 참고하시기 바랍니다.  아래 링크를 따라가시면 보실 수 있습니다.

2008/12/30 - [수술공학/의공학] - 나노가 뭐길래 의학 혁명을 운운하나? (1)


나노물질을 이용한 약물전달 기술

나노물질을 이용한 약물전달 기술은 현재 의약학 분야에서 가장 실용화 가능성이 높은 부분으로 꼽힙니다.  전통적으로 약물은 먹어서 소장에서 흡수되거나, 정맥 주사를 하는 방식으로 투여가 되는데, 앞으로 나노물질이나 나노파티클을 이용해서 피부나, 위, 눈이나 뇌에 전달이 될 수 있는 방법들이 훨씬 쉽게 개발될 것으로 예측하고 있습니다.  

현재 약물전달에 있어 가장 큰 이슈는 많은 신약 물질들이 물에 잘 녹지 않고, 또한 전통적인 복용이나 정맥주사를 통한 전달을 할 때 분자의 크기나 불안정성 등에 의한 문제점들을 가지고 있다는 점 입니다.  이러한 약물전달의 문제를 해결하기 위해서는 다양한 약물의 방출기술(releasing technology)과 표적기술(targeting technology)이 필요합니다.  현재 약물전달과 관련하여 개발되고 있는 나노파티클로는 코어쉘 나노파티클이나 나노쉘, DNA 나노파티클, 풀러린, 금 나노파티클, 산화철과 같은 나노마그넷, 리피드 나노컨테이너, 리포좀, 펩타이드, 백금 나노파티클, PLLA(Poly L-lactic acid) 나노파이버 등 다양합니다. 

이러한 나노물질들은 공통적으로 표면적이 크고, 작은 크기로 인해 유효성은 높지만 독성은 낮은 일반적인 특성을 가집니다.  그리고, 전반적으로 물에 더 잘 녹고, 흡수도 더 잘됩니다.  또한, 적절한 분자 캐리어에 담겨서 전달될 경우 위산이나 효소 등에 의해 약물이 분해되지 않고 목적 장기에 잘 도달할 수 있습니다.  이렇게 원하는 곳에만 적절하게 약물이 전달될 수 있으면, 전체적인 부작용도 줄일 수 있습니다.  

예를 들어, 수백 나노 정도의 직경을 가진 분말은 쉽게 흡입할 수가 있기 때문에 폐를 통해서 효과적인 약물전달이 될 수 있습니다.  이런 측면에서 특히 호흡기 관련 치료 약물에 나노파티클의 유용성이 매우 큽니다.  이러한 가설을 증명하기 위해 이미 조금씩 다른 크기의 에어로졸 전달 시스템이 개발되어, 여러 약물을 이용한 임상시험이 진행될 예정입니다. 

복용하는 약물의 경우에는 물에 녹는지 여부와 반감기, 그리고 적절하게 방출이 되도록 하는 기술이 중요합니다.  이러한 복용특성이 좋은 약물의 개발은 새로운 신약후보물질의 개발 만큼이나 중요합니다.  특히, 하루에 한 번 또는 며칠에 한 번 먹어도 똑같은 약효를 낼 수 있도록 하는 방출기술의 개발은 만성질환자들의 약물 순응성을 높이는데 큰 도움이 될 것입니다.  예를 들어 Nanotherapeutics라는 회사에서는 나노파티클에 기반을 둔 펩타이드/단백질 기반의 거대분자 약물을 복용할 수 있는 기술을 개발했습니다.  이 기술의 의미는 매우 큰데요, 펩타이드나 단백질처럼 큰 분자를 복용하면 약이 우리 몸의 혈관 속으로 흡수되기 전에 모두 파괴(소화)되어 버립니다.  인슐린을 아직도 먹는 약으로 만들지 못하고 주사약으로 주사해야 하는 이유도 여기에 있습니다. 

주사 약제를 개발할 때에도 나노파티클 현탁액 기술이 상당한 장점이 있습니다.  파티클 크기를 쉽게 조절할 수 있기 때문에, 비교적 고른 효과를 기대할 수 있으며 효율도 높아서 전반적인 전신부작용의 위험을 줄일 수 있습니다.  특히 특정 조직이나 세포 등을 표적화하는 기술과의 결합을 통해 강력한 선택적 항암제의 개발도 기대됩니다.  비교적 나노파티클과 종양세포에 표적이 되는 항체와의 결합이 쉽기 때문에, 나노쉘이 종양에 들어갔을 때 적외선을 이용하여 종양세포만 과열시켜 파괴하거나, 나노마그넷을 이용하여 외부에서의 자장으로 파괴하는 등의 기술이 연구 중에 있습니다.

나노튜브 기술은 피부를 통한 약물전달에 큰 도움이 될 것으로 판단됩니다.  나노 단위의 작은 바늘을 만들고, 여기에 약물을 전달하는 것인데, 이런 나노튜브/나노바늘 기술은 앞으로 활용가능성이 무궁무진합니다.  이렇게 작은 바늘은 사실 거의 통증이 없이 몸에 삽입될 수 있고, 경우에 따라서는 특정세포에만(?) 약물을 주입할 수도 있을 것입니다. 


미래에 나노물질이 의학에 미칠 영향은 매우 큽니다.  그 중에서도 약물전달 분야는 가장 빨리 상용화가 될 수 있는 분야이기도 합니다.  다양한 약물전달 기술이 개발되어 앞으로 좋은 약을 부작용이 훨씬 적으면서도 효과적으로 치료할 수 있는 날이 오기를 기대합니다.


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