현대 고령사회에서 빈번하게 발생하는 인체 조직의 섬유화증은 장기가 딱딱하게 굳는 질환이다. 폐 섬유화, 간경화증, 동맥경화, 암 등 다양한 질병에서 나타나며, 발견이 늦으면 생명을 위협하는 치명적인 질병이다. 무엇보다 근본적 치료제가 없어 조기진단이 매우 중요하다. 하지만 현재로서는 조직 검사 외에 조직의 경화도 측정 및 발병 여부를 정확히 확인하는 것은 쉽지 않다.

기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 나노의학 연구단 천진우 단장(연세대 화학과 교수) 연구팀은 인체 조직의 경화도를 초음파로 정확하게 탐지해 질병 진단이 가능한 새로운 나노기술을 개발했다.

초음파는 체외에서 인체 조직 내부를 손쉽게 들여다볼 수 있는 대표적인 비침습적 의학기술의 하나다. 그러나 조직 경화도의 상태를 정확히 볼 수가 없어, 새로운 기술 개발이 절실한 상태이다.

천진우 단장 연구팀이 개발한 나노 자성-버블(magneto-gas vesicle, MGV)은 가스로 채워진 단백질에 자성나노입자가 결합된 나노 구조체로서 생체 조직과 상이한 물성에 의한 음파 산란을 통해 고성능 초음파 조영제로 작용한다. 특히, 나노 자성-버블은 적은 자기장에도 진동이 강한 음파 산란을 발생시켜 기존보다 최소 4 ~ 8배 더 밝고 정밀한 초음파 영상을 구현한다.

자기장에 의한 나노 자성-버블의 진동성은 주변 조직의 강도에 따라 변화한다. 따라서 기존의 초음파 기술로는 측정이 어려웠던 생체 조직의 경화도를 의학적으로 중요한 압력 범위(50 Pa – 5 kPa)¹⁾ 에서 뛰어난 민감도로 측정할 수 있다. 또한 나노 자성-버블 표면은 높은 생체적합성을 갖도록 개선돼 체내에서 부작용이 없이 생체 조직의 경화도 변화를 장기간 추적할 수 있다는 장점이 있다.

연구진은 나노 자성-버블을 활용해 살아있는 생쥐의 조직 경직화와 간 섬유화 발병을 비침습적으로 정확히 진단하는데 성공했다. 또한 나노 자성-버블을 이용해 폐 섬유화를 유도한 오가노이드(인체 유사 장기)의 조직 경화를 측정하여, 폐 섬유화의 발병 및 진행을 관측하고 치료제의 효과를 확인하는 데에도 성공했다.

천진우 단장은 “나노 자성-버블 기술은 치명적 경화증을 미연에 방지하는 새로운 의학 진단 플랫폼이 될 것”이라며 “질병 발생과 조직 경화의 관계를 파악하고 새로운 약물 치료제 개발이나 치료 방법을 제시할 수 있을 것으로 기대한다”라고 전했다.

이번 연구결과는 캘리포니아 공과대학(Caltech)의 미카엘 샤피로(Mikhail G. Shapiro) 교수, 연세대학교 조승우 교수와 함께 공동 연구로 수행되었으며, 국제학술지 ‘네이처 머티리얼스(Nature Materials, IF 41.2)' 에 10월 17일(한국시간) 게재됐다.

그림 설명

[그림1] 나노 자성-버블 모식도
자기장(노란색)과 음파(보라색)에 민감하게 감응하도록 설계되어 조직 경화도를 정밀하게 탐지할 수 있는 입자

[그림2] 나노 자성-버블 초음파 영상의 원리
초음파의 기본 원리는 음파가 조직을 통과하면서 여러 조직 층을 만나며 반사/산란/굴절되는 신호를 읽는 것으로, 이를 통해 초음파 영상이 생성된다. 특히 음파는 매질 간의 음파 저항차이가 크게 되면 음파의 산란이 더 크게 발생하여 초음파 신호가 더 많이 발생된다.

[그림3] 나노 자성-버블
1. 나노 자성-버블: 원통형 (약500nm)이고, 나노 버블과 자성나노입자가 결합되어있음
2. 나노 자성-버블의 진동정도에 따라 정상조직에서는 강한 초음파 신호를 발생하고, 섬유화 조직에서는 주변이 단단해져 약한 초음파 신호를 발생함
3. 생체조직의 경화도에 따른 나노 자성-버블의 초음파 이미지

[그림4] 나노 자성-버블을 적용한 비침습적 조직 검사 실험 예
1. 나노 자성-버블을 쥐에 주입하여 정상 간과 간 섬유화 모델에서의 초음파 이미지
2. 정상, 섬유화, 약물치료 폐 오가노이드에서 나노 자성-버블의 질병 진단 및 약물 치료제의 효과를 추적 관찰함

IBS 홍보팀
박정훈

1) 파스칼(Pascal, Pa): 압력의 단위로, 1제곱미터에 1N(뉴턴)의 힘이 가해질 때의 압력