초록 ▼

□연구개요
○ 본 과제의 최종적인 연구목표는 레이저생성 집속초음파(laser-generated focused ultrasound; LGFU)를 이용한 소동물 혈액뇌관문(blood brain barrier; BBB) 개방 및 약물전달 기술 개발이며 이를 위해 (1) 다기능 광음향 렌즈 제작 및 실시간 모니터링이 가능한 LGFU 시스템 구축, (2) LGFU를 이용한 정밀 혈액뇌관문 개방 및 다광자 영상 검증을 세부목표로 연구를 수행하였음.
○ 광음향 기반 렌즈 개발을 위해 현재까지 확보된 CNT(Carbon Nanotube

□연구개요
○ 본 과제의 최종적인 연구목표는 레이저생성 집속초음파(laser-generated focused ultrasound; LGFU)를 이용한 소동물 혈액뇌관문(blood brain barrier; BBB) 개방 및 약물전달 기술 개발이며 이를 위해 (1) 다기능 광음향 렌즈 제작 및 실시간 모니터링이 가능한 LGFU 시스템 구축, (2) LGFU를 이용한 정밀 혈액뇌관문 개방 및 다광자 영상 검증을 세부목표로 연구를 수행하였음.
○ 광음향 기반 렌즈 개발을 위해 현재까지 확보된 CNT(Carbon Nanotube)-PDMS(polydimethylsiloxane) 발진체 기술 및 초음파/광학 실시간 모니터링 기술을 결합하여 실시간 모니터링이 가능한 일체형 광음향 렌즈를 개발하는 연구를 수행하였음.
○ 이를 통해 구축된 시스템을 활용하여 (1) LGFU 초점 부위에서 발생되는 공동(cavitation) 효과를 실시간 모니터링하고 (2) 초음파 투과깊이에 따른 뇌조직 파쇄 유무를 확인하여 초음파의 강도를 검증하였음.
○ 유전자 조작된 생쥐를 준비하고 생쥐 두개골의 일부를 초음파/광 투과가 가능한 PDMS 윈도우로 대체하여 in vivo 동물 실험을 수행하였으며, LGFU를 활용하여 전례없는 혈관 단위 정밀도로 BBB 개방 및 약물전달을 구현하는 연구를 수행하여 성공하였음. 또한 다광자 영상 검증을 통해 모델 약물 분자의 방출 및 혈관 회복 여부를 확인하였음.

□연구 목표대비 연구결과
○ 세부목표1: 다기능 광음향 렌즈 제작 및 실시간 모니터링이 가능한 LGFU 시스템 구축
(+) 중심부가 비어있는 광음향 렌즈를 이용한 가이드 레이저 활용 장치 개발 완료
(+) 하이드로폰과 결합 구조, 레이저 음영법 등을 이용한 실시간 모니터링 시스템 구축 완료
(+) 자유 경계 공동(free boundary cavitation) 측정 및 실시간 모니터링 구현 성공
(-) 내시경 카메라 등을 활용한 중심부가 비어있는 렌즈 구조의 추가적 활용 방안 확보 필요
○ 세부목표2: LGFU를 이용한 정밀 BBB 개방 및 다광자 영상검증 (소동물 in vivo)
(+) In vivo 환경 하에서 LGFU를 이용하여 소동물 BBB 개방 최초 구현 성공
(+) 다광자 영상을 통해 BBB 개방에 의한 모델 약물 분자(70 kDa) 방출 및 혈관회복 검증 완료
(-) 다양한 종류 및 크기의 약물 분자로 확대 적용 필요
○ 종합 요약: In vivo 적용 가능한 LGFU 시스템 구축을 완료하였으며, LGFU를 이용하여 최초로 소동물 BBB 개방 및 모델 약물분자 방출에 성공하였음.

□연구개발결과의 중요성
○ 구축된 LGFU 시스템을 이용하여 달성한 in vivo 소동물 BBB 개방 연구는 세계 최초의 성과임.
○ 열적 부작용 없는 고강도 및 고정밀(초점 크기~100 μm) 초음파 구현을 통해 소동물 뇌의 in vivo 연구에 최적화된 시스템을 구축하였음.
○ 소동물 BBB 개방 성과를 토대로 다양한 약물 전달 연구로 확대 발전시킬 수 있을 것으로 기대될 뿐만 아니라 LGFU 기반 조직파쇄 치료, 초음파 정밀 뇌자극 등의 분야로 연구 확대가 가능할 것임.
○ 차후 지속적인 시스템 고도화 및 지적재산권 확보를 통해 상품화 가능할 것으로 판단됨.
○ LGFU 기반 in vivo 연구 수행을 위해 현재 다양한 협력을 진행 중에 있으며, 본 과제를 통해 전임상 및 임상 적용을 위한 중요한 교두보를 확보하였음.

(출처 : 요 약 문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 3
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 3
• 2.1 LGFU 출력의 실시간 모니터링이 가능한 다기능 광음향 렌즈 설계 및 제작 ... 3
• 2.2 레이저생성 집속초음파 효과의 실시간 모니터링 ... 5
• 2.3 생체조직의 깊이 및 종류에 따른 LGFU 파쇄효과 검증 ... 6
• 2.4 In vivo 실험을 위해 유전자 조작 생쥐 모델 준비 및 고분자 두개골 윈도우 부착 ... 7
• 2.5 형광 분자를 모델 약물로 이용하여 소동물 BBB 개방 in vivo 실험 수행 및 다광자(multi-photon)영상 검증 ... 8
• 2.6 모델 약물 분자의 크기에 따른 BBB 방출 분석 ... 9
• 2.7 미세버블을 이용한 LGFU BBB 개방 수행 ... 9
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 9
• 3.1 고정밀 집속초음파를 이용한 in vivo 소동물 뇌 약물전달 최초로 구현 ... 9
• 3.2 비열적(non-thermal) 집속초음파를 이용한 in vivo 소동물 뇌 약물전달 구현 ... 10
• 3.3 LGFU 효과의 실시간 모니터링 기술 확보 ... 10
• 4. 참고문헌 ... 10
• 5. 연구성과 ... 11
• 끝페이지 ... 15