발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

• 기존 MRI 조영제, 특히 Gd3+ 기반 조영제는 신원성 전신성 섬유증(NSF) 등 높은 독성 문제를 가집니다.

• T2 조영제는 생성하는 어두운 점이 출혈, 석회화 등과 구별하기 어려워 진단 가치가 상대적으로 낮습니다.

• 초상자성 산화철 나노입자와 같은 T2 조영제는 응집 시 이완도 비율이 크게 변하는 불안정성 문제가 있습니다.

기술의 필요성

• 기존 조영제의 독성 문제를 해결할 수 있는 안전한 대체 물질 개발이 시급합니다.

• 줄기세포 치료 등에서 이식된 세포를 정확히 추적하기 위한 정량적 세포 표지 및 추적 기술이 필요합니다.

• Fe3+ 또는 Mn2+ 이온을 활용한 나노입자는 생체 필수 원소를 기반으로 하여 안전하며, 우수한 콜로이드 안정성과 높은 조영 효과로 새로운 MR 조영제 후보물질로 주목받고 있습니다.

구현 방법

기술의 원리

• 본 발명은 실리카 나노입자 표면에 Fe3+ 또는 Mn2+ 이온을 포함하는 킬레이트를 결합시킨 새로운 자기공명영상(MRI) 조영제입니다.

• 나노입자의 크기는 20 nm에서 100 nm 사이로, 체내 분포 및 배출에 적합한 특성을 가집니다.

• 인체에 필수적인 원소인 철(Fe)과 망간(Mn)을 사용하여 기존 Gd(가돌리늄) 기반 조영제보다 독성이 현저히 낮습니다.

• T1-가중 영상과 T2-가중 영상 모두에 적용 가능하여 활용 범위가 넓습니다.

구체적인 구현 방법

1. 수분산성 실리카 나노입자 합성: 폴리비닐 피롤리돈, 에탄올, 물, 암모니아 용액에 TEOS를 첨가하여 약 45-50nm 크기의 균일한 구형 실리카 나노입자를 제조합니다.

2. 킬레이트제 도입: 합성된 실리카 나노입자 표면에 N-(트리메톡시실릴프로필)에틸렌디아민트리아세트산과 같은 작용기화된 킬레이트제를 반응시켜 도입합니다.

3. 금속 이온 킬레이트화: 킬레이트제가 도입된 실리카 나노입자를 FeCl3(염화철(III)) 또는 MnCl2(염화망간(II)) 용액과 반응시켜 최종적으로 Fe3+ 또는 Mn2+ 이온이 결합된 자기공명영상 조영제를 완성합니다.

기술의 장점

• 낮은 독성: 상용화된 Gd3+ 이온 기반 조영제에 비해 독성이 매우 낮아 안전성이 높습니다.

• 뛰어난 안정성: 수분산성이 우수하고, 합성 후 1달이 지나도 응집 없이 안정적인 상태를 유지합니다.

• 넓은 적용 범위: T1-가중 및 T2-가중 MRI에 모두 적용할 수 있어 진단 활용도가 높습니다.

• 정량적 분석 가능: 세포 내에서 응집되어도 MR 신호 증폭 특성을 유지하여, MRI를 이용한 정량적 세포 표지 및 추적에 유용합니다.

실험 및 결과

실험의 목적

본 실험은 새롭게 합성된 실리카-Fe3+ 나노입자 및 실리카-Mn2+ 나노입자가 자기공명영상(MRI) 조영제로서 실제 활용될 수 있는지 그 가능성을 평가하고, 주요 성능 지표인 이완 값을 측정하는 것을 목적으로 합니다.

실험 방법 및 과정

1. 다양한 농도의 실리카-Fe3+ 및 실리카-Mn2+ 나노입자 현탁액을 팬텀(phantom) 형태로 준비했습니다.

2. 3T 임상용 MRI 장비(Siemens Espree)를 사용하여 팬텀 영상화와 함께 양성자 T1 및 T2 이완 시간을 측정했습니다.

3. 측정된 데이터(1/T1 및 1/T2)와 샘플 농도 간의 관계를 플롯하여, 기울기로부터 각각 종이완값(r1)과 횡이완값(r2)을 계산했습니다.

실험 결과

실험 결과, 두 나노입자 모두 MRI 조영제로서의 우수한 성능을 보였습니다. 특히 실리카-Mn2+ 나노입자는 더 높은 종이완값(r1)을 나타내어 T1 조영제로서 더 뛰어난 효과를 보였습니다. 구체적인 이완값은 아래 표와 같습니다.

각 나노입자의 종이완값(r1) 비교

또한, 나노입자의 농도가 증가함에 따라 T1-가중 영상이 점차 밝아지는 것을 확인하여, 농도 의존적인 조영 증강 효과를 명확히 입증했습니다.

활용 방안 및 기대효과

활용 방안

• 차세대 MRI 조영제: 독성이 낮은 T1 및 T2-가중 MRI 조영제로 상용화하여 진단 영상의 질과 안전성을 향상시킬 수 있습니다.

• 세포 치료 모니터링: 줄기세포나 면역세포 등 치료용 세포에 표지하여, 세포 주입 후 체내에서의 이동, 분포, 생존을 비침습적으로 추적하는 데 활용할 수 있습니다.

• 정량적 진단 도구: 특정 질병 부위에 표적화하여 축적된 양을 정량적으로 분석함으로써, 질병의 진행 상태를 보다 정밀하게 진단하는 데 사용할 수 있습니다.

기대효과

• 의료 안전성 증대: 기존 가돌리늄 조영제 사용에 따른 신원성 전신성 섬유증(NSF) 등 부작용 위험을 크게 줄여 환자의 안전을 확보할 수 있습니다.

• 진단 정확도 향상: 높은 이완도와 안정성을 바탕으로 더 선명하고 정확한 MRI 영상을 제공하여 질병의 조기 발견 및 정밀 진단에 기여합니다.

• 재생의료 기술 발전 촉진: 세포 치료제의 체내 거동을 정량적으로 추적할 수 있게 함으로써, 세포 치료 기술의 효능 평가 및 임상 적용을 가속화하는 데 기여할 수 있습니다.