광역학치료는 질병을 치료함에 있어 전이가능성과 부작용이 매우 적고 국부적인 종양의 제거가 가능하다는 장점을 갖는 치료방법이다. 광역학치료에서는 빛 에너지를 흡수하여 세포 독성을 띠는 활성산소를 생성하는 감광제가 필수적이다. 하지만 일반적인 감광제는 가시광선을 광원으로 사용하므로 이에 따른 부작용 및 치료효과의 한계가 존재한다. 이러한 이유로 가시광선 대신 근적외선을 광원으로 사용할 수 있는 업컨버전나노입자가 질병진단 및 치료 분야에서 주목을 받고 있다. 업컨버전 나노입자는 세포 독성 및 광원에 의한 부작용이 적고, 광원의 조직 내 높은 투과율 및 낮은 자가형광 등의 장점을 가지고 있다. 근적외선 업컨버전을 광역학치료에 활용하기 위해서는 근적외선을 흡수하는 업컨버전 나노입자를 활성산소를 생성시키는 감광제와 결합시켜야 한다. 나노입자에 결합된 감광제는 나노입자로부터 빛 에너지를 흡수하고 이를 주위의 산소에 전이시켜 활성산소를 생성한다. 뿐만 아니라 질병의 치료 효율은 업컨버전 나노입자의 표면을 개질하거나 항암 약물의 첨가, 또는 광열치료와의 결합을 통해 더욱 향상시킬 수 있다. 본 총설은 업컨버전 나노입자를 이용한 광역학치료와 이를 이용한 질병 치료 효과 향상에 대한 최근의 연구결과를 바탕으로 서술하였다.
광역학치료는 질병을 치료함에 있어 전이가능성과 부작용이 매우 적고 국부적인 종양의 제거가 가능하다는 장점을 갖는 치료방법이다. 광역학치료에서는 빛 에너지를 흡수하여 세포 독성을 띠는 활성산소를 생성하는 감광제가 필수적이다. 하지만 일반적인 감광제는 가시광선을 광원으로 사용하므로 이에 따른 부작용 및 치료효과의 한계가 존재한다. 이러한 이유로 가시광선 대신 근적외선을 광원으로 사용할 수 있는 업컨버전 나노입자가 질병진단 및 치료 분야에서 주목을 받고 있다. 업컨버전 나노입자는 세포 독성 및 광원에 의한 부작용이 적고, 광원의 조직 내 높은 투과율 및 낮은 자가형광 등의 장점을 가지고 있다. 근적외선 업컨버전을 광역학치료에 활용하기 위해서는 근적외선을 흡수하는 업컨버전 나노입자를 활성산소를 생성시키는 감광제와 결합시켜야 한다. 나노입자에 결합된 감광제는 나노입자로부터 빛 에너지를 흡수하고 이를 주위의 산소에 전이시켜 활성산소를 생성한다. 뿐만 아니라 질병의 치료 효율은 업컨버전 나노입자의 표면을 개질하거나 항암 약물의 첨가, 또는 광열치료와의 결합을 통해 더욱 향상시킬 수 있다. 본 총설은 업컨버전 나노입자를 이용한 광역학치료와 이를 이용한 질병 치료 효과 향상에 대한 최근의 연구결과를 바탕으로 서술하였다.
Photodynamic therapy (PDT) is a great potential approach for the localized tumor removal with fewer metastatic potentials and side effects in treating the disease. In the treatment process, a photosensitizer (PS) that absorbs a light energy to generate reactive oxygen is essential. In general, a vis...
Photodynamic therapy (PDT) is a great potential approach for the localized tumor removal with fewer metastatic potentials and side effects in treating the disease. In the treatment process, a photosensitizer (PS) that absorbs a light energy to generate reactive oxygen is essential. In general, a visible light is used as a light source of PDT, so that side effects from the light source are inevitable. For this reason, upconversion nanoparticles (UCNPs) using near-infrared (NIR) as an excitation source are attracting attention in the field of disease diagnosis and treatment. UCNPs have the low cytotoxicity and phototoxicity, and also advantages such as deep tissue penetration and low background autofluorescence. For PDT, UCNPs should be combined with a PS which absorbs the light energy from UCNPs and transfers it to the surrounding oxygen to produce reactive oxygen. In addition, the therapeutic efficacy can be improved by modifying nanoparticle surfaces, adding anti-cancer drugs, or combining with photothermal therapy (PTT). In this review, we summarize the recent research to improve the efficiency of PDT using UCNPs.
Photodynamic therapy (PDT) is a great potential approach for the localized tumor removal with fewer metastatic potentials and side effects in treating the disease. In the treatment process, a photosensitizer (PS) that absorbs a light energy to generate reactive oxygen is essential. In general, a visible light is used as a light source of PDT, so that side effects from the light source are inevitable. For this reason, upconversion nanoparticles (UCNPs) using near-infrared (NIR) as an excitation source are attracting attention in the field of disease diagnosis and treatment. UCNPs have the low cytotoxicity and phototoxicity, and also advantages such as deep tissue penetration and low background autofluorescence. For PDT, UCNPs should be combined with a PS which absorbs the light energy from UCNPs and transfers it to the surrounding oxygen to produce reactive oxygen. In addition, the therapeutic efficacy can be improved by modifying nanoparticle surfaces, adding anti-cancer drugs, or combining with photothermal therapy (PTT). In this review, we summarize the recent research to improve the efficiency of PDT using UCNPs.
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문제 정의
본 총설은 암의 효과적인 치료를 위한 광역학 치료법과 업컨버전 나노입자의 활용에 대해 기술하고자 한다. 근적외선을 효율적으로 이용하기 위해 업컨버전 나노입자와 감광제를 결합시키는 다양한 전략을 살펴보고, 광역학 치료법에 광열치료(photothermal therapy, PTT)와 화학 요법 등을 결합시켜 질병 치료효과를 향상시키기 위한 최근의 연구 결과도 함께 다루어 기술하고자 한다.
본 총설에서는 업컨버전 나노입자를 이용하여 신체 내에서 국부적인 암의 치료가 가능한 광역학 치료의 효과를 증대시키는 방법으로 다양한 감광제와의 결합 및 다른 치료법과의 결합 등의 방법에 대해 기술하였다. 업컨버전 나노입자의 표면에 감광제를 도입하여 근적외선을 이용한 광역학치료를 가능하게 하며, 활성산소 생성효율을 높이기 위해 두 가지의 감광제를 함께 사용하는 접근방법도 제시되었다.
본 총설은 암의 효과적인 치료를 위한 광역학 치료법과 업컨버전 나노입자의 활용에 대해 기술하고자 한다. 근적외선을 효율적으로 이용하기 위해 업컨버전 나노입자와 감광제를 결합시키는 다양한 전략을 살펴보고, 광역학 치료법에 광열치료(photothermal therapy, PTT)와 화학 요법 등을 결합시켜 질병 치료효과를 향상시키기 위한 최근의 연구 결과도 함께 다루어 기술하고자 한다.
제안 방법
Han 그룹은 Nd3+와 Yb3+를 감광제로 사용하고 Ho3+를 활성물질로 사용하는 입자를 합성하여 광역학치료 실험을 진행하였다[31]. Ho3+은 Er3+와 마찬가지로 업컨버전에 의해 540 nm와 650 nm 파장대의 빛을 발광하기 때문에, 이 파장대에서는 활성화되는 Rose Bengal(RB)를 감광제로 사용하였다(Figure 4c).
실험에 사용된 나노입자인 NaYF4 : Yb,Er는 녹색과 붉은색의 두 가지 파장 영역의 빛을 발광한다. 따라서 녹색 파장대를 흡수하는 merocyanine 540(MC540)과 붉은색 파장대를 흡수하는 zinc(II) phthalocyanine (ZnPc)를 업컨버전 나노입자에 감광제로 도입하였다(Figure 4a). 연구진은 in vitro 광역학치료 실험에서 한 종류의 감광제를 이용할 때보다 두 종류의 감광제를 이용하였을 때 더 많은 활성산소가 생성되고 이로 인해 광역학치료의 효율이 증가함을 확인했다(Figure 4b).
Yang 그룹에서는 코어-쉘 구조를 갖는 업컨버전 나노입자에 실리카 코팅을 한 후이를 주형으로 이용하여 UCNP@g-C3N4 나노입자를 합성하였다[51]. 보다 많은 양의 활성산소를 생성하기 위해 감광제로 Au25(MHA)18-나노 클러스터를 정전기적 인력을 통해 합성한 입자 표면에 추가하였고 입자 안정화를 위해 PEG로 표면처리를 하였다. 합성한 물질은 세포실험을 통해 800 μg/mL까지 독성이 크게 나타나지 않는 결과를 보였으며, 이는 높은 생체적합성을 갖고 있음을 의미한다.
업컨버전 나노입자에 양쪽 친매성(amphiphilic) 단백질 중합체인 bovine serum albumin-poly(ε-caprolactone)(BSA-PCL)로 코팅하고 나노입자와 중합체 사이에 감광제로 ZnPc와 항암 약물로 DOX를 부가하여 합성했다.
본 총설에서는 업컨버전 나노입자를 이용하여 신체 내에서 국부적인 암의 치료가 가능한 광역학 치료의 효과를 증대시키는 방법으로 다양한 감광제와의 결합 및 다른 치료법과의 결합 등의 방법에 대해 기술하였다. 업컨버전 나노입자의 표면에 감광제를 도입하여 근적외선을 이용한 광역학치료를 가능하게 하며, 활성산소 생성효율을 높이기 위해 두 가지의 감광제를 함께 사용하는 접근방법도 제시되었다. 유기 감광제 이외에도 광촉매 특성을 갖는 반도체 물질이 새로운 감광제로 연구가 되고 있으며, 980 nm 광원의 과열효과를 줄이기 위해 Nd3+를 증감제로 사용하여 800 nm대의 광원을 사용하는 연구도 활발히 진행되고 있다.
합성된 물질은 농도가 1 mg/mL인 조건에서 95% 이상의 세포생존율을 보이며, 이를 통해 합성된 물질이 거의 독성이 없고 생체적합성을 가지는 것이 확인되었다. 연구진은 광역학 치료의 효과를 확인하기 위해, 합성된 물질을 H22 종양을 보유한 쥐에 주입한 후 980 nm 렐이저로 빛을 조사하며 실험을 진행하였다. 2주 동안 대조군은 248 mm3에서 1282 mm3까지 종양의 크기가 증가했지만 실험군은 40 mm3에서 501 mm3까지 증가하는데 그쳤으며, 이를 통해 광역학치료 효과를 확인할 수 있었다.
계면활성제인 Tween 20으로 코팅하여 소수성인 업컨버전 나노입자를 친수성으로 바꿀 뿐만 아니라 소수성-소수성 상호작용으로 HA를 나노입자 표면에 손쉽게 부착할 수 있었다. 이 연구팀은 합성된 물질을 이용하여 폐암 세포(A549 cell)와 자궁경부암 세포(HeLa cell)에서 광역학치료 실험을 진행하였다. 두 종류의 암세포 모두 업컨버전 나노입자와 HA가함께 있는 경우에만 980 nm 파장의 레이저를 조사했을 때, 세포 생존력이 급감함을 확인할 수 있으며, 이는 형광 이미지를 통해서도 명확하게 드러났다(Figure 3a).
대상 데이터
를 활성물질로 사용하는 입자를 합성하여 광역학치료 실험을 진행하였다[31]. Ho3+은 Er3+와 마찬가지로 업컨버전에 의해 540 nm와 650 nm 파장대의 빛을 발광하기 때문에, 이 파장대에서는 활성화되는 Rose Bengal(RB)를 감광제로 사용하였다(Figure 4c). 세포실험과 조직실험을 통해 808 nm 파장의 레이저를 사용했을 때 광원에 의한 독성 부작용이 명확하게 감소하였다.
Zhang 그룹은 이러한 특성을 이용하여 광역학치료 효율을 높이기 위해 흡광영역이 다른 두 종류의 감광제를 업컨버전 나노입자에 도입한 실험을 진행하였다[27]. 실험에 사용된 나노입자인 NaYF4 : Yb,Er는 녹색과 붉은색의 두 가지 파장 영역의 빛을 발광한다. 따라서 녹색 파장대를 흡수하는 merocyanine 540(MC540)과 붉은색 파장대를 흡수하는 zinc(II) phthalocyanine (ZnPc)를 업컨버전 나노입자에 감광제로 도입하였다(Figure 4a).
성능/효과
연구진은 광역학 치료의 효과를 확인하기 위해, 합성된 물질을 H22 종양을 보유한 쥐에 주입한 후 980 nm 렐이저로 빛을 조사하며 실험을 진행하였다. 2주 동안 대조군은 248 mm3에서 1282 mm3까지 종양의 크기가 증가했지만 실험군은 40 mm3에서 501 mm3까지 증가하는데 그쳤으며, 이를 통해 광역학치료 효과를 확인할 수 있었다. Zvyagin 등은 업컨버전 나노입자에 형광 단백질인 KillerRed를 감광제로 사용한 실험을 진행하였다[26].
A549 세포를 표적으로 한 실험에서 나노캡슐의 농도가 200μg/mL의 경우, 암실에서 세포생존율이 90%에 달하는데 반해 980 nm의 레이저를 10 min간 조사한 경우 세포생존율이 10%로 급감하여 광역학치료 효과가 나타남이 확인되었다.
KillerRed는 업컨버전 나노입자의 표면을 poly(acrylic acid)로 개질한 후 공유결합을 통해 결합시킬 수 있으며, 이렇게 합성된 물질은 생리적인 완충용액에서 콜로이드 안정성을 가지며 암실에서 낮은 세포 독성을 보였다(Figure 3b). In vitro 광역학치료 실험에 적용한 결과, 980 nm 파장의 빛을 조사해 줄 경우, 1 cm 깊이에서 70% 정도의 광역학치료 효율을 보이며 KillerRed의 성능 저하는 7% 정도로, 580 nm 파장대의 가시광선을 광원으로 이용할 경우보다 높은 투과율과 광역학치료의 효율을 확인할 수 있었다.
0 mm로 성장이 억제되었다(Figure 7b). YSAP를 주입 후 레이저를 조사한 경우, 광역학치료 효과에 의해 종양의 크기는 16.0 mm로 성장이 억제되었다. 그리고 YSAP-DOX를 주입하고 레이저를 함께 조사한 경우 종양은 6.
7 mm로 다른 경우보다 가장 효과적으로 종양의 성장이 억제되었다. 결론적으로 화학요법과 광역학치료, 광열치료의 결합은 종양의 성장을 억제하는 효과가 훨씬 크고, 이에따라 국부적으로 종양을 제거할 수 있으며, 다기능 나노 플랫폼이 항암 치료에 효율적으로 적용 가능함을 보여준다고 할 수 있다.
Zhao 등은 Tm3+이 도핑된 업컨버전 나노입자의 푸른 빛을 이용하기 위해 hypocrellin A (HA)를 감광제로 선택하고 광역학치료 실험을 진행하였다[21]. 계면활성제인 Tween 20으로 코팅하여 소수성인 업컨버전 나노입자를 친수성으로 바꿀 뿐만 아니라 소수성-소수성 상호작용으로 HA를 나노입자 표면에 손쉽게 부착할 수 있었다. 이 연구팀은 합성된 물질을 이용하여 폐암 세포(A549 cell)와 자궁경부암 세포(HeLa cell)에서 광역학치료 실험을 진행하였다.
세포실험과 조직실험을 통해 808 nm 파장의 레이저를 사용했을 때 광원에 의한 독성 부작용이 명확하게 감소하였다. 광원의 출력을 1.62 W/cm2까지 올려 세포실험을 진행한 결과, 980 nm를 광원으로 사용한 세포는 생존율이 30%로 808nm를 조사하였을 때의 75% 이상의 세포생존율과 비교하여 현저히 낮은 결과를 보였다. 조직실험에서 또한 980 nm를 조사할 경우에 조직에 심각한 피해가 나타남을 확인할 수 있었다.
0 mm로 성장이 억제되었다. 그리고 YSAP-DOX를 주입하고 레이저를 함께 조사한 경우 종양은 6.7 mm로 다른 경우보다 가장 효과적으로 종양의 성장이 억제되었다. 결론적으로 화학요법과 광역학치료, 광열치료의 결합은 종양의 성장을 억제하는 효과가 훨씬 크고, 이에따라 국부적으로 종양을 제거할 수 있으며, 다기능 나노 플랫폼이 항암 치료에 효율적으로 적용 가능함을 보여준다고 할 수 있다.
또한 치료효과를 더욱 향상시키기 위해 광역학치료와 기존의 화학요법을 동시에 이용하기 위해 나노입자에 다공성 실리카를 코팅하고 약물을 담지하여 각 치료법의 단점을 보완하는 연구도 진행된 바 있다. 더 나아가 광역학치료와 광열치료 및 화학요법을 함께 결합하여 각 치료법의 문제점을 보완하고 치료의 효율을 상당히 끌어올릴 수 있다는 점도 실험을 통해 증명되었다. 이러한 시도는 앞으로 다가올 나노의학의 시대에 암과 같은 난치성 질환 치료의 돌파구를 열어줄 것으로 기대되며 인류의 건강뿐만 아니라 복지 시스템까지 향상시킬 수 있을 것이다.
합성된 물질은 활성산소가 잘 생성됨을 확인하였고(Figure 6a), 암실 조건에서 세포 독성이 없음을 확인하였다(Figure 6b). 동물실험에 적용하여 980 nm 파장에서 암세포를 처리하는 효율을 비교했을 때, UCNP/ZnPc@BSA-PCL을 이용한 광역학치료와 DOX@BSA-PCL을 이용한 화학요법은 각각 37.6, 37.9%로 비슷한 결과가 나왔으나, 광역학치료와 화학요법을 같이 사용한 경우에는 72.4%의 우수한 결과가 나왔다. 광역학치료와 화학요법을 결합시킨 방법이 암의 치료에 대해 약 37%의 치료효율을 72%로 크게 상승시켰기 때문에, 다른 치료방법과의 결합 또한 암치료 효과에 긍정적인 영향을 미칠 것으로 예상된다.
이 연구팀은 합성된 물질을 이용하여 폐암 세포(A549 cell)와 자궁경부암 세포(HeLa cell)에서 광역학치료 실험을 진행하였다. 두 종류의 암세포 모두 업컨버전 나노입자와 HA가함께 있는 경우에만 980 nm 파장의 레이저를 조사했을 때, 세포 생존력이 급감함을 확인할 수 있으며, 이는 형광 이미지를 통해서도 명확하게 드러났다(Figure 3a). Chen 그룹에서는 고온 열분해법을 이용하여 LiYF4 : Yb,Er 업컨버전 나노입자를 합성하고 β-carboxyphthalocyaninezinc (ZnPc-COOH)를 감광제로 적용하여 광역학치료 실험을 진행하였다[22].
유방암세포(MCF-7)를 이용하여 진행한 세포실험에서, 980 nm 레이저를 90 s 이상 조사하였을 때 세포생존율은 10% 미만으로 떨어지는 것이 관찰되었다. 또한 2주간의 동물실험을 통해 미토콘드리아를 표적으로 할 수 있는 TPP로 개질한 나노 감광제가 훨씬 더 우수한 광역학치료 효과를 보이는 것이 확인되었다(Figure 5b).
연구진은 in vitro 광역학치료 실험에서 한 종류의 감광제를 이용할 때보다 두 종류의 감광제를 이용하였을 때 더 많은 활성산소가 생성되고 이로 인해 광역학치료의 효율이 증가함을 확인했다(Figure 4b). 또한 연구진은 동물실험을 통해 두 가지의 감광제가 도입된 업컨버전 나노입자에 980 nm 레이저를 조사한 경우에 종양의 성장이 가장 잘 억제된 것을 확인하였다.
Ho3+은 Er3+와 마찬가지로 업컨버전에 의해 540 nm와 650 nm 파장대의 빛을 발광하기 때문에, 이 파장대에서는 활성화되는 Rose Bengal(RB)를 감광제로 사용하였다(Figure 4c). 세포실험과 조직실험을 통해 808 nm 파장의 레이저를 사용했을 때 광원에 의한 독성 부작용이 명확하게 감소하였다. 광원의 출력을 1.
합성한 물질은 세포실험을 통해 800 μg/mL까지 독성이 크게 나타나지 않는 결과를 보였으며, 이는 높은 생체적합성을 갖고 있음을 의미한다. 세포실험에서 UCNP@g-C3N4-PEG와 UCNP@g-C3N4-Au25-PEG를 비교해볼 때, 각각의 세포생존율은 Au25가 없는 입자에서 약 70%이며 Au25를 추가로 도입한 입자는 약 20%로 두 가지의 감광제를 도입한 경우가 보다 높은 치료효과를 나타내는 것을 확인했다. 이후 2주간의 동물실험을 통해 UCNP@g-C3N4-Au25-PEG가 종양의 성장을 가장 잘 억제하는 것으로 나타났으며, 이를 통해 표면을 g-C3N4로 코팅하는 것이 보다 높은 효율을 나타냄을 알 수 있다.
Tm3+가 도핑된 업컨버전 나노입자는 푸른 빛뿐만 아니라 자외선 영역의 빛도 방출하기 때문에 TiO2와 조합하여 광역학치료에 적용되는 연구가 진행되고 있다. 실험에 사용된 980 nm와 365 nm 광원 자체에 의한 세포 독성은 나타나지 않았고, 합성한 입자를 세포에 배양시킨 경우 두 개의 광원 모두에서 광역학치료 효과가 나타났다. 동물실험에서도 두 개의 광원에서 모두 종양성장 억제효과가 나타났다.
암실에서 200 μg/mL의 입자 농도에서 약 80%의 세포생존율을 보였고, 980 nm 파장의 레이저 조사를 통해 15 min만에 40% 이하의 세포생존율이 나타나는 광역학치료 효과를 확인할 수 있었다.
또한, Nd3+와 Yb3+를 감광제로 함께 사용하였기 때문에, 980 nm와 808 nm를 동시에 광원으로 사용하여 업컨버전 나노입자의 발광효율을 향상시킬 수 있으며, 이에 따라 광역학치료 효율도 함께 향상시킬 수 있다. 연구진은 HeLa 세포를 이용한 광역학치료 실험에서는 980 nm와 808 nm를 광원으로 함께 사용하여 치료 효율을 증가시킬 수 있음을 증명하였다.
따라서 녹색 파장대를 흡수하는 merocyanine 540(MC540)과 붉은색 파장대를 흡수하는 zinc(II) phthalocyanine (ZnPc)를 업컨버전 나노입자에 감광제로 도입하였다(Figure 4a). 연구진은 in vitro 광역학치료 실험에서 한 종류의 감광제를 이용할 때보다 두 종류의 감광제를 이용하였을 때 더 많은 활성산소가 생성되고 이로 인해 광역학치료의 효율이 증가함을 확인했다(Figure 4b). 또한 연구진은 동물실험을 통해 두 가지의 감광제가 도입된 업컨버전 나노입자에 980 nm 레이저를 조사한 경우에 종양의 성장이 가장 잘 억제된 것을 확인하였다.
이렇게 합성된 UCNP@TiO2는 표면에 아미노기(NH2)를 가지고 있으며 이를 TPP와 결합시켜 미토콘드리아를 표적으로 하는 나노감광제(nanophotosensitizer)를 합성할 수 있다. 유방암세포(MCF-7)를 이용하여 진행한 세포실험에서, 980 nm 레이저를 90 s 이상 조사하였을 때 세포생존율은 10% 미만으로 떨어지는 것이 관찰되었다. 또한 2주간의 동물실험을 통해 미토콘드리아를 표적으로 할 수 있는 TPP로 개질한 나노 감광제가 훨씬 더 우수한 광역학치료 효과를 보이는 것이 확인되었다(Figure 5b).
조직실험에서 또한 980 nm를 조사할 경우에 조직에 심각한 피해가 나타남을 확인할 수 있었다. 이를 통해 고출력의 레이저를 광원으로 사용할 때 800 nm대의 광원이 훨씬 광독성이 적은 것을 확인할 수 있다. 또한, Nd3+와 Yb3+를 감광제로 함께 사용하였기 때문에, 980 nm와 808 nm를 동시에 광원으로 사용하여 업컨버전 나노입자의 발광효율을 향상시킬 수 있으며, 이에 따라 광역학치료 효율도 함께 향상시킬 수 있다.
세포실험에서 UCNP@g-C3N4-PEG와 UCNP@g-C3N4-Au25-PEG를 비교해볼 때, 각각의 세포생존율은 Au25가 없는 입자에서 약 70%이며 Au25를 추가로 도입한 입자는 약 20%로 두 가지의 감광제를 도입한 경우가 보다 높은 치료효과를 나타내는 것을 확인했다. 이후 2주간의 동물실험을 통해 UCNP@g-C3N4-Au25-PEG가 종양의 성장을 가장 잘 억제하는 것으로 나타났으며, 이를 통해 표면을 g-C3N4로 코팅하는 것이 보다 높은 효율을 나타냄을 알 수 있다. Lin 그룹에서는 UCNP@g-C3N4-PEG의 코어-쉘 구조를 합성하였는데, 업컨버전 나노입자에 Nd3+를 도입하여 808 nm 파장의 빛을 흡수할 수 있도록 하였으며 이를 통해 생체 내에서 광원에 의한 독성을 보다 감소시킬 수 있었다[52].
62 W/cm2까지 올려 세포실험을 진행한 결과, 980 nm를 광원으로 사용한 세포는 생존율이 30%로 808nm를 조사하였을 때의 75% 이상의 세포생존율과 비교하여 현저히 낮은 결과를 보였다. 조직실험에서 또한 980 nm를 조사할 경우에 조직에 심각한 피해가 나타남을 확인할 수 있었다. 이를 통해 고출력의 레이저를 광원으로 사용할 때 800 nm대의 광원이 훨씬 광독성이 적은 것을 확인할 수 있다.
올레산이 제거된 업컨버전 나노입자는 표면이 Ln3+ 이온으로 구성되며 양전하를 띠기 때문에 음전하를 띠고 있는 감광제와 정전기적 인력을 통해 쉽게 결합할 수 있다[24,25]. 합성된 물질은 농도가 1 mg/mL인 조건에서 95% 이상의 세포생존율을 보이며, 이를 통해 합성된 물질이 거의 독성이 없고 생체적합성을 가지는 것이 확인되었다. 연구진은 광역학 치료의 효과를 확인하기 위해, 합성된 물질을 H22 종양을 보유한 쥐에 주입한 후 980 nm 렐이저로 빛을 조사하며 실험을 진행하였다.
업컨버전 나노입자에 양쪽 친매성(amphiphilic) 단백질 중합체인 bovine serum albumin-poly(ε-caprolactone)(BSA-PCL)로 코팅하고 나노입자와 중합체 사이에 감광제로 ZnPc와 항암 약물로 DOX를 부가하여 합성했다. 합성된 물질은 활성산소가 잘 생성됨을 확인하였고(Figure 6a), 암실 조건에서 세포 독성이 없음을 확인하였다(Figure 6b). 동물실험에 적용하여 980 nm 파장에서 암세포를 처리하는 효율을 비교했을 때, UCNP/ZnPc@BSA-PCL을 이용한 광역학치료와 DOX@BSA-PCL을 이용한 화학요법은 각각 37.
합성한 물질은 세포실험을 통해 800 μg/mL까지 독성이 크게 나타나지 않는 결과를 보였으며, 이는 높은 생체적합성을 갖고 있음을 의미한다.
후속연구
더 나아가 광역학치료와 광열치료 및 화학요법을 함께 결합하여 각 치료법의 문제점을 보완하고 치료의 효율을 상당히 끌어올릴 수 있다는 점도 실험을 통해 증명되었다. 이러한 시도는 앞으로 다가올 나노의학의 시대에 암과 같은 난치성 질환 치료의 돌파구를 열어줄 것으로 기대되며 인류의 건강뿐만 아니라 복지 시스템까지 향상시킬 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
광역학치료란 무엇인가?
광역학치료는 질병을 치료함에 있어 전이가능성과 부작용이 매우 적고 국부적인 종양의 제거가 가능하다는 장점을 갖는 치료방법이다. 광역학치료에서는 빛 에너지를 흡수하여 세포 독성을 띠는 활성산소를 생성하는 감광제가 필수적이다.
감광제의 한계는 무엇인가?
광역학치료에서는 빛 에너지를 흡수하여 세포 독성을 띠는 활성산소를 생성하는 감광제가 필수적이다. 하지만 일반적인 감광제는 가시광선을 광원으로 사용하므로 이에 따른 부작용 및 치료효과의 한계가 존재한다. 이러한 이유로 가시광선 대신 근적외선을 광원으로 사용할 수 있는 업컨버전 나노입자가 질병진단 및 치료 분야에서 주목을 받고 있다.
현재 항암 임상 치료법의 문제점은 무엇인가?
현재 다양한 항암 임상 치료법이 시도되고 있지만 심한 부작용도 함께 존재한다. 절제 등의 수술법은 암이 빠르게 전이될 위험이 있고, 방사선 치료는 방사능 중독과 이차적인 암의 발달을 야기시킬 수 있다. 화학요법(chemotherapy)은 약물의 낮은 선택성과 독성이 부작용으로 이어질 수 있다. 이러한 문제점이 있기 때문에 효과적이고 부작용이 적은 항암 치료법의 연구개발이 매우 중요하다[1,2].
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