September 20,2017

암세포 전이 전에 찾아서 제거한다

세계 최소 레이저로 나노버블 일으켜 암세포 사멸

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세계에서 가장 작은 레이저를 이용해 단일 암세포를 사멸시킬 수 있다는 연구가 나왔다.

미국 아칸소대 의대 블라디미르 자로프(Vladimir Zharov) 교수팀은 지름 22나노미터(nm) 짜리 레이저 스페이서(spaser)로 세포에서 직접 매우 밝은 빛을 생성해 이 빛을 열과 나노버블 및 초음파로 바꿔 단일 암세포를 탐색해 죽일 수 있다고 8일자 ‘네이처 커뮤니케이션즈’(Nature Communications)에 발표했다.

아칸소의대 이비인후과 두경부 외과 교수이자 나노의학 센터장인 자로프 교수는 “레이저 활용은 질병 진단과 치료에 혁명을 일으켰으나 레이저의 크기가 커서 세포 수준에서의 의학적 응용에 장애가 돼 왔다”고 말했다.

스페이서 빛이 집속된 상태에서 세포 파쇄(붉은 화살표)를 이끌어내는 버블 형성(흰 화살표) 장면.  Credit : Zharov jab / Nature Communications

스페이서 빛이 집속된 상태에서 세포 파쇄(붉은 화살표)를 이끌어내는 버블 형성(흰 화살표) 장면. Credit : Zharov Lab / Nature Communications

레이저 제한성 극복, 암세포 진단과 치료에 응용

자로프 교수는 지난 2003년 가열된 나노입자 무리 주위에 레이저 유도 증기 나노버블을 발생시켜 인접한 정상 세포에 해를 끼치지 않고 단일 종양세포를 사멸시키는 방법을 개척했다.

존 돈호퍼(John Dornhoffer) 아칸소의대 두경부 외과 주임교수는 “자로프 박사 연구원들은 인체에서 순환하는 암세포를 더욱 정밀하게 탐지하고 파괴하기 위해 이 기술을 새롭고 흥미로운 방법으로 적용해 왔다”며, “이러한 세포 탐색자들은 엽산 같은 화합물과 결합해 정상세포를 건드리지 않고 개별 암세포를 분자적으로 표적화할 수 있다”고 설명했다. 그는 “이 흥미로운 연구는 궁극적으로 암세포가 전이할 기회를 갖기 전에 찾아서 제거하는 방식”이라고 덧붙였다.

이번 연구에서는 방사선 유도 방출(Stimulated Emission of Radiation)에 의한 표면 플라스몬 증폭(Surface Plasmon Amplification)을 일으키는 스페이서(spaser)의 크기가 극히 작아 레이저가 가진 제한을 극복하고 세포 수준에서 암을 진단하고 치료할 수 있는 가능성을 보여주었다.

또한 자로프 교수팀은 거대한 스페이서 빛을 발생시키는 레이저 회로의 일부로서, 나노버블 스페이서 주위의 일시적인 증기 나노버블을 사용하는 펄스 레이저의 새로운 원리를 발견했다.

연구를 수행한 미국 아칸소의대 연구팀. 왼쪽에서 네 번째가 연구를 이끈 블라디미르 자로프 교수.  Credit : UAMS

연구를 수행한 미국 아칸소의대 연구팀. 왼쪽에서 네 번째가 연구를 이끈 블라디미르 자로프 교수. Credit : UAMS

화학요법 저항성 유방암 등에 적용 가능”

연구팀은 이번 연구를 통해 방출 강도와 스펙트럼 폭이 양자점보다 100배 더 밝고 폭은 30배가 좁은 의료용 레이저 처방법을 입증했다.

자체적으로 빛을 내는 수 나노미터(nm) 크기의 반도체 결정인 양자점(quantum dots)은 크기가 가장 작은 인공 탐색자 중 하나로서 독특한 광학적 특성을 나타낸다. 진단용 나노 탐색자로 사용되는 양자점은 세포생물학을 이해하는데 중요한 역할을 하지만, 독성과 빛 저하 등을 비롯한 몇가지 사항들 때문에 인체 적용이 제한돼 있다. 이에 비해 레이저 스페이서는 밝기가 탁월하고 구성요소들의 독성이 낮아 인체에 사용될 수 있는 가능성이 더욱 높다.

자로프 교수는 “이번 연구 자료에 따르면 스페이서는 세포 기능에 부정적 영향을 끼치지 않을 정도로 작다는 점, 원하는 세포를 특정해 타겟으로 삼을 수 있다는 점, 생체 안의 복잡한 생물학적 환경 안에서도 목표 탐색이 충분히 가능하다는 점 그리고 원하는 광메카니즘적 치료 효과를 낼 수 있을 만큼 표면 자유전자가 집단으로 진동하는 플라스몬적 활성상태를 나타내는 장점이 있다”며, “이를 이용해 기존 화학요법에 저항성을 보이는 삼중 음성 유방암 세포 같은 암세포를 사멸시킬 수 있다”고 강조했다.

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