[논문]나노 X-선 영상과 생명의학

윤권하

문제 정의

에서는 나노급 X-선 영상을 위한 개념과 원리, 기반기술 및 장치. 그리고 X-선용 나노입자에 대한 설명과 적용에 대해 소개하고자한다.
CCD카메라로 이루어진 검출기는 연 X-선의 검출과 시스템 광학계의 정렬에 이용된다. 바이오 샘플에 소사되는 X-선량을 최소화하고, 농시에 노출시간을 단축시키고자 하였다. 살아있는 세포를 관찰히-기 위해서는 X-선량을 줄이고 카메라 시스템의 김도를 높이는 것이 바람직하나, CCD 자체의 양자 효율(quantum efficiency) 의 한계에 의하여 감도를 높이는 깃이 현실적으로는 대단히 어려다.
기술이 주목을 받고 있디-. 이는 의학 및 생물학의 연구에 있어서는 생물이 갖는 다양한 기능이 그 구조와 밀접한 관계를 가지고 있으므로 생체조직 미세-구조의 관찰에 실험용 소동물을 희생시키지 않고 수명기간 동안 비침습적인 빙법으로 질병의 진행과 치료경과를 영상으로 확인이 가능하기 때문이다 생명공힉의 연구들 즉 병상태를 정확히 진단하기 위한 연구. 유전자의 발현 및 단백질 연구.

제안 방법

기존 의료영상 촬영 시스템들보다 훨씬 높은 고해상도를 깆기 위해서 마이크로 X-선 CT 장차는 수 nm 이히의 광원크기를 갖는 X-선 발생 장치를 이용하고 상대적으로 낮은 X-선 광원의 세기에 대하여 고감도 타입의 검출기를 채용하고 살아있는 동물을 검사하기 위해 호흡미취 및 생체모니터링 장치를 설치하며, 생체세포의 유지 및 방사선으로부터 보호와 영상의 대조도를 증가시키기 위히여 위상차 영상획득기술을 적용하는 기술을 개발하였다. X-선 단층 촬영장치는 방사선에 대응하는 X-선원을 이용하여 촬영된 피검체의 검출된 정보를 3차원으로 재구성하여 단층 영상으로 보여주는 장치로서, X-선 발생부 피검체 회전을 위한 기구부.
이때 생체 시료는 촬영되는 전체시간 동안 X-선에노출되며, 방사선에 의한 세포변형이나 파괴가 발생할 수 있게 된다. 따라서, 저자들은 생체시료의 방사선방어를 위해 허용한도내의 저온상태로 유지하여 방사선으로부터 보호 및 유지토록 하였다;
그러나, 요오드화합물은 독성이 강하여 실용화하는데는 문제가 큰 것으로 생각된다. 저자들은 생체 ApoE-/- 마우스에서 금 나노깁자를 주입한 후 micro CTt 이용히여 대동맥을 관찰하였다. 40 nm 크기의 금 나노입자를 62.
검출부 장치로 구성되며 X-선 발생부와 검출 부의 일직선 사이에 피검체를 위치하여 여러 방향으로부터 X-선 관을 통해 피검체의 횡단면 방향으로 X-선을 조사한다 이때 투과한 X-선에 의한 각 물질간의 감쇠계수에 따른 흡수치를 검출기로 데이터를 수집하여 단면 영상화한 후 각각의 방향으로부터 생성된 디지털 단면 영상 데이터를 컴퓨터로 산술적 연산방법으로 계산하여 피검체의 촬영 영역에 대응하는 단층 영상을 재구성하여 보여주게 된다 마이크로. 토모그라피 장치의 시료의 흡수선량은 광원조건과 X-선 조사당 조사 시간, 그리고 조사수를 고려하여 총 시료의 흡수선량을 구한다. 저자 등이 개발한 마이크로 토모그라피 장치는 110 mGy의 선량이 얻어졌으며, 이는 소동물에 대한 생체영상을 얻는데 허용되는 피폭 영역에 해당한다.

대상 데이터

따라서. X-선 검출넌과 카메라 사이에서 광을 증폭하여 전체 시스템의 감도를 늪이는 영상증배관을 이용하였다.
박막으로 이루어져 있다. 세포는 증식속도 및 소형 연 X-선 현미경의 가시영역의 크기를 고려하여 선택할 수 있으며, 저자는 HT1080과 MDA-MB 231등을 이용하였디-. 시료 플레이트는 70% 에탄올로 멸균 처리하고, 세포가 잘 부착될 수 있도록 SisM) 박막 표면을 1 mg/mL 젤라틴으로 처리한 다음 12-well culture plate에 넣고 세포 시료를 약 1X104 개씩 넣어 0.
또한 동시에 언 X-선은 물질에 쉽게 흡수가 되므로 샘플홀더의 시료창은 연 X-선의 투과율이 우수한 재질을 사용하여야힌다. 시료창은 100 nm 두께의 Si3N4이고 크기는 1.5 × 1.5 mm이다. 이때 연 X-선의 투과율이 약 70% 정노로 우수하고, 연 X-선을 이용하여 생체시료를 관찰하기 전에 광학 현미경읖 이용하여 생체시료의 놓인 위치와 부착상태를 확인해야 하므로 가시광 파장에서 투명하며, 또한 진공을 유지할 수 있는 강노를 가지고 있다.
고출력 레이저를 타겟에 집속하면 이때 발생뇐 플라즈마에 의하여 X-선이 방사된다. 타겟은 액체질소를 사용하며 발생되는 주요 X- 선 파장은 2.88 nm이다 액체 타겟을 이용하면 단색성이 강한 X-선을 얻을 수 있으며 플라즈마 생성시 발생하는 미세파편도 아주 미소하다. 또하 100~150 nm 두께의 Ti 필터를 사용하여 레이저 플라즈마에 의하여 발생된 가시광 및 적외선을 제거한다.

성능/효과

저자들은 생체 ApoE-/- 마우스에서 금 나노깁자를 주입한 후 micro CTt 이용히여 대동맥을 관찰하였다. 40 nm 크기의 금 나노입자를 62.5 umol 의 농도로 주입하고 24-48시간 후 쵤영한 영상에서 조영 전 영상과 비교히여 높은 조영증강을 보이는 혈관 벽을 확인할 수 있었다. 마이크로 CT에서 CT 영상에서 대동맥의 벽을 따라서 100 HU 이상으로 조영되는 영상을 언을 수 있었고 조직학적 검사에서 동맥경화의 혈전의 표면에 침윤된 대식세포에 금 나노입자가 포획되어 조영효과가 나타나는 것을 알 수 있었다(그림 12).
5 umol 의 농도로 주입하고 24-48시간 후 쵤영한 영상에서 조영 전 영상과 비교히여 높은 조영증강을 보이는 혈관 벽을 확인할 수 있었다. 마이크로 CT에서 CT 영상에서 대동맥의 벽을 따라서 100 HU 이상으로 조영되는 영상을 언을 수 있었고 조직학적 검사에서 동맥경화의 혈전의 표면에 침윤된 대식세포에 금 나노입자가 포획되어 조영효과가 나타나는 것을 알 수 있었다(그림 12). 이러한 실험결과는 금 나노입자는 생체에서 대식세포를 직접 표적하므로 동맥경화뿐만 아니라 염증성 또는 자기면역질환 등 여러 병리상태의 진단과 예후를 측정할 수 있는 가능성을 보여주고 있으며, 이에 따라 항동맥 경화성 약물 및 항염증성 약물과 같은 치료약물의 전달을 볼 수 있어서 부작용을 줄이면서 효괴를 증진시킬 수 있는 약물개발세 이용할 수 있는 가능성을 보여주고 있다고 생각된다.
획득된 영상에서 금 나노입자 군집의 크기는 약 직경 60 nm까지 구별이 가능하였고 이는 연 X-선 현미경의 분해능이 460배에서 최대 60 nm 까지의 분해능을 갖기 때문이다. 세포내의 포획된 금 나노입자의 군집은다양한 형태와 크기로 형성됨을 연 X-선 현미경 영상을 통하여 확인할 수 있었다. 같은 샘플의 투과형전자현미경에서 세포내부 액포에 금 니노입자가 포획된 상태를 확인할 수 있었다.
때 생체영상의 여러 목적을 달성할 수 있게 된다. 저자의 실험실에서 개발한 금 나노입자 조영제는 특별한 독성이 없고 혈관 내 잔류시간이증가하여 혈관 영상을 위한 조영제로서 유용하게 사용할 수 있을 것으로 확인되었다(그림 10). 금 나노입자는 생체의 혈관구조와 이의변화및 종양조직의 신생혈관을 란찰하는데 유요하며, 종양 조직의 관류 영상을 얻는 데에도 유용할 것으로 생각된다(그림 11).

후속연구

영상기술 중에서 X-선을 이용한 영상기술은 아직까지 초보단계이며 한계점도 많이 있으나 X-선이 갖는 장섬을 이용하여 다른 장치기술과 융합화하거나 나노수준의 고해상도 영상을 통해 새로운 생명현상의 정보를 얻을 수 있을 것으로- 기대된다. X-선을 이용한 나노영싱연구는 분자 및 세포수준의 진단과 치료 등 다양한 바이오 의료분야에 적용될 수 있으며, 이를 통해 인간생명의 건강에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대한다
세포독성이 없어야 하는 등의 조건을 만족해야 한다. 여기에 특정장기 또는 세포나 분자에 표적이 가능히고 약물전달 또는 치료제로 이용할 수 있으면 더욱 이상적인 조영제가 될 수 있을 것이다.12
다양한 바이오.영상기술 중에서 X-선을 이용한 영상기술은 아직까지 초보단계이며 한계점도 많이 있으나 X-선이 갖는 장섬을 이용하여 다른 장치기술과 융합화하거나 나노수준의 고해상도 영상을 통해 새로운 생명현상의 정보를 얻을 수 있을 것으로- 기대된다. X-선을 이용한 나노영싱연구는 분자 및 세포수준의 진단과 치료 등 다양한 바이오 의료분야에 적용될 수 있으며, 이를 통해 인간생명의 건강에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대한다
마이크로 CT에서 CT 영상에서 대동맥의 벽을 따라서 100 HU 이상으로 조영되는 영상을 언을 수 있었고 조직학적 검사에서 동맥경화의 혈전의 표면에 침윤된 대식세포에 금 나노입자가 포획되어 조영효과가 나타나는 것을 알 수 있었다(그림 12). 이러한 실험결과는 금 나노입자는 생체에서 대식세포를 직접 표적하므로 동맥경화뿐만 아니라 염증성 또는 자기면역질환 등 여러 병리상태의 진단과 예후를 측정할 수 있는 가능성을 보여주고 있으며, 이에 따라 항동맥 경화성 약물 및 항염증성 약물과 같은 치료약물의 전달을 볼 수 있어서 부작용을 줄이면서 효괴를 증진시킬 수 있는 약물개발세 이용할 수 있는 가능성을 보여주고 있다고 생각된다. 향후 이 금 나노입자를 이용한 연구는 X-선 CT를 이용한 분자진단법이 주요한 이슈가 될 것으로 전망된다
이 결합체는 20 내지 30 nm의 입자크기를 가짐으로써 혈관 조영제로서 유용하게 사용될 수 있다. 이번에 개발한 금나노입자조영제는 농물실험을 이용한 마이크로 CT에서 사용가능함을 획인하였으며, 생체에 무해히기 때문에 인체 적용 가능성이 높다. 저자들의 실험에서도 금나노입자가 간과 비 장의 RES 에 포획되며(그림 8) 그 외의 다른 장기와 세포실험에서 독성은 발견되지 않았다.
무표지로 관찰할 수 있는 X-선 현미경의 원리가 실제로 구현된 것으로 평가된다. 이와 같이 X-선 현미경은 향후 지속적인 연구를 통해 생명공학연구에서 혁신적인 도구를 제공할수 있을.것으로 보인다.
이러한 실험결과는 금 나노입자는 생체에서 대식세포를 직접 표적하므로 동맥경화뿐만 아니라 염증성 또는 자기면역질환 등 여러 병리상태의 진단과 예후를 측정할 수 있는 가능성을 보여주고 있으며, 이에 따라 항동맥 경화성 약물 및 항염증성 약물과 같은 치료약물의 전달을 볼 수 있어서 부작용을 줄이면서 효괴를 증진시킬 수 있는 약물개발세 이용할 수 있는 가능성을 보여주고 있다고 생각된다. 향후 이 금 나노입자를 이용한 연구는 X-선 CT를 이용한 분자진단법이 주요한 이슈가 될 것으로 전망된다

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