'퀀텀도트'에 해당하는 글 2건


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.


신고

WRITTEN BY
하이컨셉
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.

받은 트랙백이 없고 ,

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?   오늘부터 몇 차례 정도 나노의학(Nano-medicine)에 대한 글을 써 볼까 합니다. 

현재 나노기술이 의학에 영향을 미칠 수 있는 분야를 대략 아래의 12가지 정도로 분류합니다.  사실 거의 의학의 전분야에 관계가 있다고 말할 수 있습니다만, 언제나 생각을 정리하기에는 전체적인 그림을 그리는 것이 중요하기 때문에 이러한 분류는 나노의학을 이해하는데 큰 도움이 됩니다.

 
• 신약의 발견 (Drug discovery)     • 약물전달 (Drug delivery)   • 진단(Diagnostics)
• 의학영상 (Imaging)                  • 임플란트 (Implants)         • 활성화 임플란트 (Active implants)
• 조직공학 (Tissue engineering)   • 수술 (Surgery)               • 미용성형 (Cosmetics)
• 음식 (Food)                           • 유전학 (Genomics)          • 단백질학 (Proteomics
)


나노크기를 느낍시다.



나노, 나노 하는데 나노의 크기는 어느 정도일까요?  수치적으로는 10의 -9제곱인데 이게 어느정도 크기 인지 감을 먼저 잡아야 될 것 같습니다.  의학에서 중요한 것들의 크기를 설명하면, 우리 몸의 머리카락의 굵기가 대략 100 μm 정도가 됩니다.  그리고, 세포는 크기의 차이가 좀 있는데 대부분 직경이 2 – 10 μm 정도가 됩니다.  바이러스의 크기가 보통 50-100 nm  정도이고, 우리가 몸을 구성하는 단백질 분자의 크기가 2 – 8 nm, DNA 분자가 2 nm 입니다.  원자는 0.1 nm 정도로 알려져 있습니다.

여기서 또 한가지 중요한 것이 우리가 물건을 보는 가시광선의 파장이 400 nm ~ 700 nm 정도라는 것입니다.  눈으로 무엇인가를 보기 위해서 현미경으로 확대를 하더라도, 빛의 특성 자체가 이보다 훨씬 크기 때문에,  이런 나노월드에서 벌어지는 일들은 흔히 이용하는 광학 현미경 기술로는 도저히 직접 관찰이 불가능합니다.  그래서, 나노의학을 위해서는 빛이 아닌 다른 다양한 형태의 영상 및 측정기술 들이 필요하게 됩니다.


나노물질이 왜 그리 특별한가?

사람이 만든 것 중에서도 나노 수준의 것들이 이제는 꽤 많습니다.  나노튜브(nanotube), 덴드리머(dendrimer), 퀀텀도트(quantum dots), 마그네틱 나노파티클(magnetic nanoparticle), 콜로이드 금(colloidal gold) 등이 있는데, 과학뉴스 등에서 한번씩 등장한 것을 보신 적이 있을 겁니다. 

그렇다면, 이러한 나노물질이 왜 그리 특별하게 취급받는 것일까요?  나노물질은 일상적으로 우리가 아는 물질과는 대단히 다른 특성을 가집니다.  이렇게 작은 세상에서는 우리가 흔히 알고 있는 색상, 투명성, 단단함, 전기 및 자기적 특징과 같은 여러 물리적인 성질과 심지어는 독성, 녹는점, 끓는점과 같은 화학적인 성질까지 완전히 바뀌는 경우가 많습니다. 

나노의학에서 중요한 목표가 되는 물질은 단백질입니다.  현재 알려진 단백질의 종류가 100만 개가 넘습니다.  그렇지만, 아직도 단백질 자체에 대한 연구나 지식의 수준은 그렇게 높지가 않습니다.  HGP(Human Genome Project, 인간게놈 프로젝트)가 종료된 이후, 그래도 상당히 많은 연구들이 전세계에서 동시다발적으로 진행되고 있어 일부 단백질들의 기능과 성질들이 상세하게 밝혀지고 있습니다.  아직까지는 그래서 갈길이 멀다고 할 수 있겠습니다.

또한, 세포 수준의 타겟도 중요하게 생각되고 있는데 이는 대부분의 질병들이 세포 단위에서 일어나기 때문입니다.  질병의 초기에 진단을 하는 것이 현대의학과 관련한 연구에서 가장 중점을 두고 있는 부분의 하나인데, 실제 진단이 있다고 해도 현재로서는 각각의 세포 단위로 선택적인 치료가 가능하지는 않습니다. 나노기술이 향후 이런 부분에 돌파구를 열 수 있지 않을까 기대하기 때문에, 의학의 혁명을 언급하는 것이지요 ...


나노의학의 예는 어떤 것들이 있나?

아직까지 상용화까지는 시간이 다소 걸리겠습니다만, 나노물질을 이용한 의학적용에는 다음과 같은 것들이 추진되고 있습니다.  60개의 탄소원자 케이즈로 만들어진 분자인 풀러린(fullerene)이나 반도체 나노물질로 형광발현의 특징을 가진 퀀텀도트 등이 MRI나 초음파 영상 분야나 AIDS 관련 약물전달 물질로의 적용이 검토되고 있습니다.   나노파티클에 약물을 결합할 경우에 물에 잘 녹게 만들 수 있으며(많은 약물이 물에 녹지 않습니다), 위액이나 효소에 의해 분해되는 것을 막아서 소장에서의 흡수를 증진할 수도 있습니다.  또한, 정교하게 약성분이 조금씩 녹아 나오도록 조종하는데에도 큰 역할을 할 것으로 기대하고 있습니다.

나노튜브의 경우 튜브 안에 약물을 넣어서 전달하는 컨테이너로서의 역할을 하거나, 또는 세포 내부에 약물을 전달하는 전달자나 미세주사기의 역할이 가능할 것으로 보고 있습니다.  나노파티클을 이용해서 원하는 장기나 질병이 있는 곳에 선택적으로 약물을 전달하고자 하는 연구도 활발하게 진행되고 있습니다.  프랑스의 나노바이오틱스(Nanobiotix)에서는  암세포를 인식하고 암세포막을 통과해서 이를 선택적으로 파괴하는 나노파티클을 개발하고 있습니다.  산화철(iron oxide)의 핵과 항체를 결합한 형태를 가지고 있어, 항체가 암세포를 인식하고 결합을 하면 나노파티클에 세포 내에 주입이 되면 외부에서 자기장을 걸어서 열을 이용해 세포를 파괴하는 원리인데 임상시험이 곧 진행될 것으로 알려지고 있습니다.

호주의 에펠 테크놀로지(Eiffel Technologies)에서는 일반적인 약물의 구성성분과 단백질들을 나노파티클의 형태로 생산하는 사업을 추진하고 있습니다.  이렇게 할 경우 약물로서의 약동학적 성격이 달라지기 때문에 다양한 형태의 변형이 가능할 것으로 기대됩니다.   또한, 주사기로 주어야 했던 약물들이 연기나 분무 형태로 흡입을 할 수 있도록 하는 투여방법의 변화에도 적극적으로 활용될 수 있습니다.

이미 상당부분 상용화가 진척된 분야도 있는데 대표적인 부분이 자외선 차단제 시장입니다.  산화아연(zinc oxide) 나노크리스탈을 이용해서 만들어진 크림은 이미 자외선을 차단하는데 가장 효과적인 것으로 알려져 있으며, 세계적인 회사인 BASF에서 이를 개발하여 공급을 하고 있습니다.  누셀(NuCelle)이라는 회사의 SunSense SPF 30 선크림이 이 기술을 이용해서 상용화를 한 제품입니다.

미용성형 분야에서도 앞으로 나노물질의 활용도가 높아질 것으로 보입니다.  상당수의 특허들이 이 분야에서 이미 출원이 되었는데, 특히 피부의 항노화와 관련된 기술들이 많습니다.  코팅 물질로서의 가능성도 있습니다.  나노물질의 특성을 십분 발휘하여 항미생물, 비독성으로 기존의 제품들을 만들거나, 조직의 생장을 촉진하고 접착이 잘되며, 오래가는 좋은 특성의 강화에도 도움이 될 것으로 보입니다.

진단분야에서는 미량의 항체를 진단하는데 도움이 되는 기술이 개발되고 있으며, 티타늄 합금 나노물질의 경우 외과적으로 사용되는 기구나 임플란트의 생체적합성이나 수명을 연장할 것으로 기대하고 있습니다.  또한, 임플란트에 나노 표면처리를 통해 세포의 생착이 쉽게 되도록 하거나, 세포가 자랄 수 있는 작은 공간을 만들어 넣는 기술들도 연구되고 있습니다.  여기에 생분해가 가능한 폴리머를 이용해서 3D 형태의 조직으로 가공하는 분야도 향후 재생의학, 조직공학 분야에서 중요하게 다루어질 것입니다.

마지막으로 중요하게 생각하는 응용분야는 세포영상 분야 입니다.  나노파티클 기술은 다양한 영상기술의 조영제(contrast agent)로서의 활용도 매우 높습니다.  MRI, 초음파, 광학영상 그리고 핵의학 영상에 이르는 대부분의 영역에서 나노파티클이 중요하게 각광받을 것입니다. 


이처럼 나노기술이 적용될 수 있는 의학의 영역은 매우 넓습니다.  아직까지는 가능성 수준에서 크게 벗어나고 있지는 않지만, 미래의 의학에서 나노기술의 역할은 점점 더 중요해질 것은 확실합니다.  앞으로 몇 차례에 걸쳐 이러한 나노의학의 적용기술에 대해 좀더 자세하게 소개하는 시간을 가지도록 하겠습니다.


신고

WRITTEN BY
하이컨셉
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.

받은 트랙백이 없고 ,