과산화수소로 영상 신호 60배 증폭…신개념 암 진단 기술 나왔다

KBSI·미 텍사스주립대 공동 연구진
암세포에 많은 과산화수소 포착하는 프로브 개발

한국기초과학지원연구원(KBSI) 연구진이 개발한 과산화수소 기반 암 진단 장치의 작동 원리. 암 세포에서 많이 만들어지는 과산화수소와 결합하는 프로브를 이용해 정확도를 높였다./한국기초과학지원연구원

국내 연구진이 자기공명영상(MRI)으로 암을 더 정확하게 진단할 수 있는 기술을 개발했다. 정상 세포보다 암 세포에서 많이 만들어지는 과산화수소(H₂O₂)를 이용해 영상 신호를 증폭하는 방식이다. MRI는 물론 광학 영상에도 적용할 수 있어 암 진단과 치료제 개발에서 폭넓게 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

홍관수 한국기초과학지원연구원(KBIS) 오창바이오·환경연구소 소장과 조지현 바이오이미징중개연구부 책임연구원은 9일 미국 텍사스 주립대와 공동으로 과산화수소를 이용한 암 진단 기술을 개발했다고 밝혔다.

연구진은 암 세포에서 만들어지는 과산화수소를 포착하는 프로브를 개발해 암 진단 정확도를 크게 높였다. 프로브는 단백질이나 유전자 같은 생체 물질을 확인하는 데 사용하는 물질이다.

의료 영상 장비는 암을 비롯해 질병의 진단에 널리 사용한다. 광학 영상과 컴퓨터단층촬영(CT), MRI는 각각 장단점이 있어 최근에는 여러 종류의 장치를 결합하는 연구가 활발히 이뤄지고 있다. 가령 광학 영상은 세포에 있는 물질로 세포의 종류를 파악할 수 있다는 장점이 있으나 해상도와 투과도가 떨어진다는 단점이 있다. 반면 MRI는 투과도와 해상도가 우수하지만 세포의 종류를 하나하나 알아내기는 어렵다.

이번에 개발한 프로브는 광학 영상과 MRI를 결합해 암 세포를 정확하게 구분할 수 있도록 돕는다. 종양 세포와 암 세포(악성 종양)는 정상에 비해 과산화수소를 각각 5.8배, 4.5배 많이 만들어낸다. 과산화수소와 반응하는 프로브를 사용하면 광학 영상에 쓰이는 형광 신호는 15배 강해지며, MRI 신호는 60배 증폭되는 것으로 나타났다.

진단 성능을 높이기 위해 생체 신호를 증폭하는 화학교환포화전이(CEST) 현상도 활용했다. 화학교환포화전이는 영상 장치의 정확도를 떨어뜨리는 물 분자의 신호를 최소화하는 방식으로 MRI에서 생체 신호를 극대화하는 데 주로 활용한다.

홍 소장은 “MRI와 광학 영상의 장점을 모두 가지면서도 안전하게 사용 가능한 프로브를 개발한 연구”라며 “실시간 암 진단과 항암제 개발에 활용할 수 있다”고 말했다.

조 책임연구원은 “암 이외에도 과산화수소 검출이 필요한 다양한 분야에 활용할 수 있을 것으로 기대한다”며 “환자의 진단을 돕고 질병에 대한 연구에도 기여할 수 있다”고 말했다.

연구 결과는 지난달 16일 국제 학술지 ‘센서 및 액추에이터 B-화학’에 실렸다.

참고 자료

Sensors and Actuators B-Chemical(2024), DOI: https://doi.org/10.1016/j.snb.2024.135839

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