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“몸 속 질병 영상으로 관측한다”

2017-11-06 연구/산학
의과대학 김도경 교수 연구팀이 광발성 특성을 가진 소재를 개발하고 이를 이광자현미경 기술과 접목해 몸 속 질병을 관측할 수 있는 연구를 진행했다.

의과대학 김도경 교수 연구팀 생체 영상화 신소재 개발
연구논문, 소재분야 세계 최고 권위 저널 온라인 판 게재


생체 영상화 분야는 최근 각광 받는 분야이다. 세포 단계뿐 아니라, 그 이상이나 이하의 생물학적 과정을 생체 내에서 영상화할 수 있기 때문이다. 의학분야에서는 이 기술을 활용해 질병 작용원리의 규명과 진단, 신약 개발 등의 연구를 진행한다.

의과대학 김도경 교수 연구팀이 광발성 특성을 가진 새로운 생체 영상화 소재를 개발하고, 이를 이광자현미경 기술에 접목한 연구를 수행했다. 개발한 소재를 동물에게 주사해, 살아있는 동물에서 생체영상화 구현을 확인했다. 해당 연구는 소재분야의 세계 최고 권위 저널인 <Advanced Materials> 온라인 판에 게재됐다.

a. 다공성 실리콘 나노입자의 생체 영상화를 위한 구조체 모습
b. 이광자 현미경으로 본 살아있는 동물 내에서의 암 선택적 생체 영상화 결과.
광발성 소재가 암 부위에서 선택적으로 생체 영상화 되는 모습.(우측 하단).

광발성 특성 가진 새로운 생체 영상화 소재 개발
김도경 교수 연구팀은 이번 연구에서 다공성 실리콘 나노입자(porous silicon nanoparticle)를 이용한 새로운 생체 영상화 소재를 개발했다. 다공성 실리콘 나노입자는 생체 독성이 매우 적고, 표면에 다양한 기능을 부여하는 화학적 방식인 개질화를 통해 질병 특이적 약물전달이 가능해 이상적인 생체적합형 나노물질로 주목 받고 있다. 또한 고유의 적외선 영역 광발성(photoluminescence) 특성은 생체 영상화 연구에 활용이 가능하다는 장점을 지닌다.

김도경 교수는 50nm(나노미터, 1nm=1미터의 10억 분의 1)크기의 입자 개발은 최초라며 “보통 반도체에 많이 쓰이는 실리콘 기판을 깎아서 소재를 만드는데, 이 물질의 안쪽에 양자점이 생기고 광발광 현상이 나타난다”며 “이미 미국에서는 실용화된 소재이므로 생체 영상화에 쓰이는 것에도 문제가 없을 것”이라는 전망을 내놓았다.

광발광 현상은 빛에 의해 에너지를 받아 여기(excitation)되어, 그 에너지로 특정 파장의 빛을 방출하는 현상이다. 광발광 특성을 가지는 물질은 생체 영상화 소재로 널리 사용되고 있다.

연구팀은 다공성 실리콘 나노입자의 크기 조절 및 양자 가둠 효과(quantum confinements effect) 최적화 과정을 통해 이광자 흡수 및 방출 특성을 가지는 새로운 나노입자를 개발하고 나노입자의 화학적·물리학적·광학적 특성을 체계적으로 분석했다.

김도경 교수 연구팀은 나노입자 이광자현미경 기술을 접목해 살아있는 동물에서 생체영상화 구현에 성공했다.

나노입자 이광자현미경 기술과 접목
살아있는 동물에서의 생체영상화 구현 성공

연구에서 나온 결과를 토대로 응용 연구도 진행했다. 나노입자의 표면에 ‘암 선택적 펩타이드(cancer targeting peptide)’를 도입해 ‘기능화된 나노입자(functionalized nanoparticle)’를 합성했다. 이 나노입자를 암을 갖고 있는 동물에 주사해, 이광자현미경 생체 영상화를 수행했다.

그 결과, 살아있는 동물의 체내에서 다공성 실리콘 나노입자가 선택적으로 암 부위에 응집하는 현상을 실시간으로 관측하는 데 성공했다. 다공성 실리콘 나노입자가 이광자현미경 기술과 접목돼 살아있는 동물에서의 생체 영상화가 구현 가능함을 최초로 밝힌 것이다.

김도경 교수는 “이번 결과를 바탕으로 다공성 실리콘 나노입자를 이용한 특정 질병의 선택적 생체 영상화 및 약물전달, 질병의 진단 및 치료 등 관련 후속 연구가 더욱 활발하게 이뤄질 것으로 기대한다”고 밝혔다. 또한 위암과 폐암의 예를 들며 “위암이라면 위에만, 폐암이라면 폐에만 선택적으로 작용해 몸의 다른 부분에는 부담을 주지 않는 치료 방법으로 활용 가능하다”고 말했다.

김도경 교수는 “앞으로 나노물질과 유기화합물을 섞은 융복합 시스템을 만들어 약물전달뿐 아니라 체외에서 침이나 가래 등 타액에서도 질병을 진단하는 시스템을 개발하고 싶다”고 향후 연구 목표를 밝혔다.

이번 연구는 김도경 교수 연구팀과 캘리포니아주립대 샌디에고(University of California, San Diego) 및 포항공과대학(POSTECH)과의 국제공동연구로 진행됐다.

정민재(커뮤니케이션센터, ddubi17@khu.ac.kr)

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