유기준 교수팀, 무선 광역학 항암 치료 및 종양 크기 진단 시스템 최초 개발

마이크로 LED 및 광 트랜지스터 활용해 항암 치료 및 진단의 새로운 패러다임 제시

국제 전자공학 분야 최고 권위지 ‘npj flexible electronics’ 게재

[사진. (왼쪽부터) 김기호 연구원, 민인식 연구원, KIST 김태희 연구원, 유기준 교수]

공과대학 전기전자공학과 유기준 교수 연구팀은 광역학 항암 치료 원리와 종양 크기에 따른 빛의 산란을 이용한 ‘완전 무선의 광역학 항암 치료 및 연속적 종양 크기 모니터링 시스템’을 세계 최초로 개발했다. 이를 통해 암을 효과적으로 치료하고 환자들의 불편함 없이 진단할 수 있는 발판이 마련됐다. 

국제 통계에 따르면, 전 세계 암 사망자 수는 수십 년 동안 꾸준히 증가해 2020년 약 1천만 명에 달했다. 암 사망자 수 증가에 따라 암 치료법 또한 부작용을 줄이고, 암 진행 모니터링 성능을 개선하며 발전을 거듭해 왔다. 전통적인 암 치료법인 종양 절제술, 방사선 치료, 화학 요법은 암을 치료하는 데 효과적이지만 장기 기능 손실, 구토 등 부작용 및 후유증으로 인해 환자의 몸에 큰 부담을 주는 것으로 알려졌다.

이러한 문제점을 극복한 최첨단 치료법인 광역학 치료는 광 반응성 약물인 광 감작제를 주입해 비수술적으로 종양 조직을 선택적으로 파괴해 기존 암 치료법의 문제점을 해결했다. 반면 장비의 거대함과 높은 가격으로 인해 치료의 접근성과 이동성이 떨어지는 단점을 가진다.

또 항암 치료 시, 치료법 외에 치료 효과성을 평가하고 향상시키기 위해 암 진행 상태를 모니터링하는 것도 중요한 부분으로 꼽힌다. 이는 전산화 단층 촬영(CT) 스캔 또는 생체 발광과 같은 영상 검사를 통해 주로 이뤄진다. 하지만 이러한 기술은 장기간 모니터링에 좋은 시간 해상도(Time Resolution)를 달성하기 어렵고, 자원 집약적이며 비용이 많이 드는 문제가 있어 많은 환자들에 대해 영상 촬영을 하거나 자주 측정하는 데 어려움이 있다.

본 연구에서는 기존 광역학 치료의 단점을 해결하고 암 진행 상태를 모니터링하기 위해 종양 내부로부터 효과적으로 빛을 전달하고, 마이크로 LED에서 발생하는 열을 암 치료에만 작용하도록 해 주변 정상 조직에 영향을 주지 않는 디바이스를 설계했다. 

또 디바이스 내 광 트랜지스터를 통해 종양 내부에서 산란된 빛의 양을 측정해 종양 크기의 변화를 실시간으로 측정할 수 있도록 했다. 이를 위해 마이크로 LED의 강도를 무선으로 조절하고, 광 트랜지스터의 측정값을 기록하기 위해 사용자 측에서 데이터 전송 및 수신을 위한 맞춤형 스마트폰 응용 프로그램도 개발했다. 연구진은 동물 실험을 통해 시스템의 체내 안정성, 뛰어난 암 치료 효능과 종양 크기 변화 모니터링 성능을 확인했다.

이번 연구는 효과적인 암 치료 및 진단을 위한 의학 연구에 획기적인 발전을 이뤘다는 평가를 받는다. 연구진이 창출한 혁신적인 시스템은 감염의 위험성을 감소시키며, 암 치료와 진단을 동시에 손쉽게 수행함으로써 환자의 안락함을 높여 학술적‧사회적 차원에서 그 가치가 매우 크다.

유기준 교수는 “항암 치료와 종양 크기를 진단하는 것은 매우 중요하지만, 현재 기술은 고통을 동반하고 값비싼 장비를 이용해야 하며 치료와 동시에 연속적인 모니터링이 불가능했다. 본 연구는 암 치료 및 진단의 새로운 패러다임을 제시하는 기술로, 관련 분야 사회 문제 해결과 의료 산업에 큰 파급 효과를 미칠 것”이라고 연구 의의를 밝혔다.

한편, 본 연구는 중견연구사업, 범부처재생의료기술개발사업의 지원을 받아 우리 대학교 김기호 연구원(주저자), 민인식 연구원(주저자), KIST 김태희 연구원(제1저자), 우리 대학교 유기준 교수(교신저자), KIST 정영미 박사(교신저자), GIST 송영민 교수(교신저자) 연구팀의 협업으로 진행됐으며, 국제 전자공학 분야 최고 권위지인 ‘npj 플렉시블 일렉트로닉스(npj Flexible Electronics, IF 14.6, JCR 상위 2%)’에 8월 28일 게재됐다.

논문정보

● 논문제목: Fully implantable and battery-free wireless optoelectronic system for modulable cancer therapy and real-time monitoring

● 논문주소: https://doi.org/10.1038/s41528-023-00276-x

용어설명
● 광역학 치료(Photodynamic Therapy): 빛과 빛에 반응해 활성산소(Reactive Oxygen Species, ROS)를 배출하는 광 감작제 약물을 이용해 암세포를 선택적으로 파괴하는 치료 방법. 인체 내부로 주입된 광 감작제 약물은 암세포에 선택적으로 누적되고, 이 상태에서 암세포에 특정 파장대의 빛을 조사하면 광역학 반응(Photodynamic reaction)에 의해 활성산소가 배출된다. 활성산소는 암세포 내부의 세포소기관 및 세포막과 반응해 세포자멸사(apoptosis)를 유도한다. 광역학 치료는 암세포만을 선택적으로 파괴해 부작용이 적고, 환자에게 가해지는 고통이 거의 없다는 장점이 있다.

● 광 감작제(Photosensitizer): 특정 파장대의 빛을 흡수해 광역학 반응을 발생시키고, 이를 통해 주변의 산소를 활성산소로 전환하는 물질. 광 감작제는 인체 주입 시 암세포에 선택적으로 흡수 및 누적되는 특성을 보이며 이로 인해 광역학 치료를 수행할 수 있다. Photoprin, 5-ALA와 같은 헤마토포르피린 유도체(Hematoporphyrin derivative, HPD) 계열의 약물이 광 감작제로 주로 사용된다. 

● 완전 삽입형 치료 기기(Fully-implantable device): 인체 내부에 삽입돼 치료 및 진단 모니터링을 위해 특정 기능을 수행하는 전자 기기 시스템이다. 일반적인 전자 기기와 달리 부드럽고 유연한 형태의 폼팩터가 있어야 하며, 독성을 가진 금속 이온이 생체로 유출되지 않도록 막는 봉지 기술(Encapsulation)이 필수적이다. 

그림설명

[그림 1. 무선 운용의 광역학 항암 치료 및 종양 크기 모니터링 시스템 개요]

[그림 2. 무선 운용 시스템의 회로적 구성에 대한 블록 다이어그램]

[그림 3. 완전 삽입형 무선 치료 기기의 생체 삽입 및 구동 사진]

[그림 4. 종양 크기에 따라 측정되는 LED 빛의 산란에 대한 시뮬레이션 결과]

[그림 5. 3주 기간의 광역학 치료 시 동물 모델에서의 종양 크기 변화(왼쪽) 및 동물 모델의 체중 변화 추이(오른쪽) (대조군: Cont, 치료군: 5-ALA/device(+))]