[논문]의생명과학연구를 위한 THz 기술

오승재; 손주혁; 서진석

문제 정의

본 고에서는 THz파 기술을 기반으로 현재 의학 및 생명과학 분야에서 진행되고 있는 연구에 관하여 의료 영상 중심으로 이야기하고자 한다.
Nuss가 최초로 반도체 집적회로와 잎사귀를 영상한 논문을 보고한 이후 많은 연구들이 이루어져 왔으며, 최근에는 반도체 비파괴 영상, 마약 검사 등의 다방면에서 그 응용범위가 확대되고 있다 [3] . 본 장에 서는 의생명과학에서 이용되고 있는 THz 영상 기술을 암 진단 영상을 중심으로 소개하고, 최근 보고된 THz 분자 영상 기술에 대하여 다루고자 한다. 앞서 말한바와 같이 THz파는 물이나 생명분자의 결합 에너지 영역 대에 해당하므로 생명분자의 거동 및 특성 변화에 매우 민감하게 반응한다 [1] .
이러한 나노 입자에 의한 THz 신호 반응의 증폭 효과는 나노입자를 특정한 분자나 조직에 표적하여 분자 수준의 차이를 측정할 수 있는 THz 분자 영상(THz Molecular Imaging, TMI)이 구현을 가능케 한다. 본 장에서는 근적외선광(Near-Infrared: NIR)의 변조에 의한 THz 차동 기술을 이용한 TMI를 이용하여 표적 종양만을 선택적으로 영상화하는 고민감 TMI를 소개하고자 한다.

제안 방법

[그림 4]는 유방암에 걸린 여성의 유방 조직을 적출하여 얻은 임상 사진과 THz파 영상이다 [6] . 조직 검사를 통하여 정상 유방 조직과 암이 있는 유방 조직에 대한 암 영역의 크기와 모양을 THz파 영상과 비교하였다. [그림 4] (a)는 현미경 사진으로 병리조직 검사 시행 후 암이 분포된 부분을 표시한 것으로 정상 조직과 암조직의 경계면에서의 분포 정도를 정확하게 알 수가 없다.
[그림 5]는 THz파 영상법을 이용하여 토끼의 VX2 간암 모델의 암 조직과 정상 조직의 영상을 얻고, 병리영상과 비교한 연구를 보여준다 [7] . 토끼의 간에 암조직을 시킨 후 포르말린 시약에 담아 처리하고, 파라핀에 넣어 고정시켜 시료를 제작하였다. [그림 5]는 (a) 실제 샘플과 (b) 병리 영상, (c) THz 영상을 보여주고 있다.
이쥐의 꼬리정맥을 통해 1 mM 농도의 CET-PGNRs 주사액 100 μL를 주사하였고, 정맥주사 후 24시간이 지난 다음에 영상 실험을 수행되었다.
각 픽셀마다 80 W/cm2의 세기의 NIR을 3 초씩 조사하면서 시료를 250 μm씩 이동하여 종양에 대한 2차원 TMI 영상을 얻었다.
반면에 TMI 영상에서는 [그림 12] (c)에서 보여지는 것과 같이 해부학적인 형태와 무관하게 종양의 위치나 범위가 잘 식별되었다. TMI를 이용하여 CET- PGNRs이 표적 종양 및 각장기에 선택적으로 잘 전달되었는지를 확인하기 위해 in vivo 실험을 수행한 CET-PGNRs를 주사한 실험쥐와 CET-PGNRs를 주사하지 않은 쥐의 종양, 간, 비장, 콩팥 그리고 뇌를 적출하여 TMI 영상을 측정하였다. CET-PGNRs를 주사하지 않은 쥐의 장기에 대한 영상의 경우 장기별로 그 차이가 적은 것에 비하여 [그림 12] (e)에서 보는 바와 같이 CET-PGNRs 를 주사한 쥐의 경우 간과 비장, 종양에서의 TMI영상은 뇌와 콩팥에서의 영상에 비하여 선명하게 구분되었다.
제작된 THz 내시경의 형태는 [그림 14] (a)에 나타나고, 실제 크기는 헤드 부분 직경 4 mm, 길이가 20 mm이다. 이 소형 THz 내시경을 이용하여 알루미늄 블록, 구강 내벽, 혀 표면, 피부 스킨 및 물의 반사분광을 실시하였고, 그 결과 인체 특정 부위에 대해 각기 다른 THz파 반사 광학 상수를 측정하였다. 이는 인체 조직 부위에 따라 서로 다른 THz파의 고유의 분광 특성이 있는 것을 알 수 있고, 이 결과는 향후 THz 내시경을 이용한 소화기 암의 진단이 가능함을 보여주었다

대상 데이터

TMI 기술을 이용한 in vivo에서 표적 종양에 대한 영상은 [그림 12]에서 보여준다. 이 영상에서 사용되는 각 픽셀에서의 데이터는 NIR광의 변조에 따른 THz 신호의 변화를 나타내는 impulse function의 최대값이 사용되었다. 동물 실험을 위해서 A431암세포 종양을 가지고 있는 동종 이식쥐가 제작되었다.
이 영상에서 사용되는 각 픽셀에서의 데이터는 NIR광의 변조에 따른 THz 신호의 변화를 나타내는 impulse function의 최대값이 사용되었다. 동물 실험을 위해서 A431암세포 종양을 가지고 있는 동종 이식쥐가 제작되었다. 이쥐의 꼬리정맥을 통해 1 mM 농도의 CET-PGNRs 주사액 100 μL를 주사하였고, 정맥주사 후 24시간이 지난 다음에 영상 실험을 수행되었다.
지금까지 THz 전자기파의 의생명과학 연구에 대하여 의료 영상을 중심으로 살펴보았다. THz파는 기존의 X선이나 초음파, 적외선, 밀리미터파 등과 확실히 차별화되어 전반적인 의생명과학에 새로운 분광 및 영상기술의 가능성을 가지고 있으며, 생명물질의 분광 및 영상들에 관한 괄목할만한 결과들을 많이 연구되고 있다.

성능/효과

파라핀 영역의 펄스 최대값은 간 조직에 비하여 현저하게 낮으므로 정상 조직들과 분명한 차이를 보이고 있다. 이 결과는 THz 영상이 기존의 진단 병리 영상 방법에도 사용될 수 있는 가능성을 보여주었고, 시료의 처리 방법에 따라 암 조직의 수분에 의한 차이뿐만 아니라 구조적인 차이 역시 구별이 가능하다는 것을 보여주었다.
수용액 영상에서 식별 가능한 농도인 10 μM에 해당하는 영상에서의 THz 반사율은 1 %에 해당하였다. 이 결과는 TMI가 광학적 상수의 값으로 정성적 분석 및 정량적인 영상까지 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.
그림에서 보이는 것처럼 MCF7 세포에 대한 TMI 신호는 A431세포에 대한 것보다 4배 작으며, CET-PGNRs의 농도가 감소함에 따라 MCF7 세포에 대한 TMI 신호는 CET-PGNRs가 없는 Control 세포에 대한 TMI 신호의 크기와 같아진다. 이 결과는 TMI가 분자생물학적인 미세한 차이에 대한 구분이 가능하고 분자생물학적으로 양성 및 음성 종양에 대해 진단 영상이 가능함을 보여준다.
TMI를 이용하여 CET- PGNRs이 표적 종양 및 각장기에 선택적으로 잘 전달되었는지를 확인하기 위해 in vivo 실험을 수행한 CET-PGNRs를 주사한 실험쥐와 CET-PGNRs를 주사하지 않은 쥐의 종양, 간, 비장, 콩팥 그리고 뇌를 적출하여 TMI 영상을 측정하였다. CET-PGNRs를 주사하지 않은 쥐의 장기에 대한 영상의 경우 장기별로 그 차이가 적은 것에 비하여 [그림 12] (e)에서 보는 바와 같이 CET-PGNRs 를 주사한 쥐의 경우 간과 비장, 종양에서의 TMI영상은 뇌와 콩팥에서의 영상에 비하여 선명하게 구분되었다. 이것은 CET-PGNRs이 혈관을 통해 순환하여 표적 장기에 잘 전달되었음을 보여준다.
이 소형 THz 내시경을 이용하여 알루미늄 블록, 구강 내벽, 혀 표면, 피부 스킨 및 물의 반사분광을 실시하였고, 그 결과 인체 특정 부위에 대해 각기 다른 THz파 반사 광학 상수를 측정하였다. 이는 인체 조직 부위에 따라 서로 다른 THz파의 고유의 분광 특성이 있는 것을 알 수 있고, 이 결과는 향후 THz 내시경을 이용한 소화기 암의 진단이 가능함을 보여주었다

후속연구

[그림 1]은 물의 온도가 10도에서 50도까지 10도씩 증가할 때 THz 영역에서 굴절율 및 흡수율 스펙트럼을 나타낸다. 이 결과는 THz파가 의생명과학 연구에 매우 용이하게 사용될 수 있음을 보여준다.
TMI 방법은 형광 영상법과 같은 기존의 광학적 분자 영상법이 가지는 낮은 해상도의 제한을 개선할 뿐 아니라 기존의 THz 영상의 회절 한계를 넘은 수 um의 고해상도 분자 영상을 가능케 한다. 이 기술은 동물의 유전자 및 약물 전달 과정 또는 암세포 분화 및 전이 과정 등의 연구를 가능하게 할 것이다. 특히 광열 치료 기술과 THz 내시경 기술과 융합하여 소화기 내 암에 대한 테라그노시스를 가능케 할 것이다.
이 기술은 동물의 유전자 및 약물 전달 과정 또는 암세포 분화 및 전이 과정 등의 연구를 가능하게 할 것이다. 특히 광열 치료 기술과 THz 내시경 기술과 융합하여 소화기 내 암에 대한 테라그노시스를 가능케 할 것이다.
이러한 지능형 나노조영제를 이용한 광열 치료를 수행할 때 가장 중요한 점은 정상 조직을 손상하지 않고 종양만 세포사하도록 종양에서 발생하는 열과 항암제의 투여량을 모니터링하여 조절하는 것이다. THz파는 조직에서 발생하는 열에 매우 민감하므로 이러한 온도 모니터링이 가능하고, 따라서 환자 맞춤형 광열 치료를 가능하게 할 것이다.
THz파는 기존의 X선이나 초음파, 적외선, 밀리미터파 등과 확실히 차별화되어 전반적인 의생명과학에 새로운 분광 및 영상기술의 가능성을 가지고 있으며, 생명물질의 분광 및 영상들에 관한 괄목할만한 결과들을 많이 연구되고 있다. 이는 THz파를 이용한 의생명분야 연구가 의료영상진단은 물론 기본적인 생명과학의 발전에도 크게 기여할 수 있을 뿐만 아니라 미래 시대가 요구하는 건강한 생명사회의 구현에 많은 도움이 될 것이라고 기대된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	테라헤르츠파란?	테라헤르츠(terahertz, THz)파는 마이크로파와 적외 선의 중간에 위치하는 전자기파로 통상 0.1～10 THz 의 대역을 말한다. 이 영역은 마이크로파의 장점인 반도체나 세라믹 물질에 대한 투과성과 적외선이나 가시광선이 가지고 있는 직진성을 모두 가지고 있다.
	나노입자 프루브란?	THz 영상의 민감도는 MRI나 광학 분자 영상에서 사용되는나노입자 프로부를 사용하여 증가될 수 있다. 나노입자 프루브는 나노입자의 다양한 광학적, 전자기적 특성 이용하여 신호원에 대한 반응을 직, 간접적으로 증폭시키고, 특정한 분자에 표적시킬 수 있는 나노 복합체이다. 이러한 나노 복합체에 의한 다양한 현상 중 적외선 광(Near Infrared, NIR)의 입사에 의해나노입자 표면에 유도되는 표면 프라즈몬 공명 현상은 입사 된 광에너지를 열에너지로 변화시키고, 이 열로 인해 금속 나노입자 주변 물의 온도가 증가시킨다.
	THz파의 특성은?	1～10 THz 의 대역을 말한다. 이 영역은 마이크로파의 장점인 반도체나 세라믹 물질에 대한 투과성과 적외선이나 가시광선이 가지고 있는 직진성을 모두 가지고 있다. 이러한 전자기파의 이중적 특성을 모두 가지고 있는 THz파는 전자제품이나 식품에 대한 비파괴 영상을 가능하게 한다 [1],[2] .

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