국내 연구진이 그래핀과 나노입자 기술을 이용해 대장암의 정확한 진단 및 치료가 가능한 ‘다기능 대장 내시경 시스템’을 선보였다.
최근 국민들의 서구화된 식습관으로 인해, 대장암은 전체 암 중 세번째로 높은 발병률(12.9 %)을 보인다. 현재 대장암은 일반적으로 내시경을 이용한 검사법으로 검진한다.
하지만 확진까지 추가적인 검사가 필요하고, 암으로 발전할 수 있는 작은 종양의 경우 적시에 발견이 어려운 실정이다.
이에 연구팀은 그래핀 복합체와 나노치료입자를 고안, 암세포만 신속하게 진단 및 치료할 수 있는 내시경 시스템을 개발했다. 이로서 수술 범위와 시간을 혁신적으로 단축할 수 있을 것으로 예상된다.

이번 연구는 차세대 물질인 그래핀이 가진 물리적·화학적 우수성과 투명성을 의료기기에 접목하였다는데 의의가 있다.
복합체는 그래핀과 은 나노와이어를 합성하고 산화이리듐을 전기화학 증착하여 제작한다. 그 결과 만들어진 복합체는 투명하여 공간적 제약 없이 내시경 렌즈 위에 부착할 수 있다.
또 임피던스와 산성도 측정 센서기능을 겸비하였다. 이로서 신속한 조직검사로 암의 생화학 정보를 즉시 얻어 대장암을 진단 할 수 있다.
이 뿐만 아니라 고온·고압의 상태에서도 그 기능을 유지해, 살균 및 고주파 열치료 등이 필요한 실제 수술과정에서 충분히 활용 가능하다.

연구진은 나노치료입자를 추가적으로 고안하여, 대장암의 정확한 진단 및 치료에 시너지를 더하였다.
나노치료입자는 정맥주사를 통해 체내에 주입된다. 겉면에 도포된 항체로 인해, 특정 암세포에만 선택적으로 결합하는 특성을 갖는다. 또한 내부에 형광시료가 있어 작은 종양까지 관찰할 수 있다.
그 밖에 복합적인 항암치료 기능까지 갖추었다. 내시경에 달린 광원으로 적외선을 조사하면 금 나노막대의 온도가 올라가 광열치료가 가능하다. 이와 동시에 활성산소를 만드는 염료가 반응하여 광역동치료를 겸할 수 있다.
더불어 항암제를 담은 나노입자 표면을 온도 민감성 고분자가 감싸고 있어, 적외선에 의한 열이 가해질 때만 약물이 방출 된다. 이로써 주변 정상조직에 영향을 미치고 않아 부작용을 최소화 하면서, 암조직만을 선택적으로 치료할 수 있게 되었다.

이번 연구를 주도한 기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 나노입자연구단의 김대형 교수(서울대 화학생물공학부)는“그래핀과 나노입자를 동시에 의료기기에 적용한 것은 처음이다.”라고 언급하며 “이번연구는 동물실험으로 확인했는데, 향후 임상을 거쳐 로봇을 이용한 다양한 질병의 진단 및 치료에 광범위하게 응용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.

▲ 그래핀 복합체(우상)가 부착된 내시경(좌)과 나노치료입자(우하)

▲ 그래핀 복합체와 나노치료입자로 구성된 내시경 시스템의 적용 순서

▲ 투명한 그랯핀 복합체 구조(좌), 투명소자와 금속기반 소자의 투명도 비교(중), 내시경을 통해 관찰한 대장암 이미지(우)

▲ 나노치료입자를 활용한 형광이미지(좌), 광섬유를 이용한 내시경 광원(중), 빛을 이용한 치료종류별 효과(우)

이번 연구성과는 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 11.470)에 11월 30일자로 온라인 게재되었다.