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“얼만큼 아파?”라고 물을 때 어떻게 답해야 할까요?

눈물 나도록? 무척이나? 죽을 만큼?

통증 정도

통증의 정도는 개개인의 경험, 참을성, 표현력 등에 따라 천차만별입니다.

때문에 고통을 호소하는 환자에 대응할 수 있는 방법도 정확하지 않다는 것이지요.

통증의 척도를 알 수 있는 객관적인 지표가 없어서 그렇습니다.

때문에 세계 의학계에서는 통증의 객관적 정도를 파악하기 위해 연구하고 있는데요.

안타깝게도 현재는 환자가 10단계로 구분된 통증강도 중 자신의 상태를 선택하는 주관적 설문방식이 사용되고 있습니다.

통증 10단계통증 10단계

통증 인식

통증을 인식하는 방법은 크게 촉각이라고 할 수 있습니다.

외부의 자극이 일정 수준 이상으로 전해지는 ‘문턱값’을 넘으면 비로소 촉각이 뇌로 전해지는데요.

이 때 강도에 따라 전달체가 촉각수용체와 통각수용체로 나뉘게 됩니다.

미세하고 촘촘하게 배열된 통각수용체는 미세한 자극을 감지하지만 전달속도가 초속 0.5~30m로 저속이면서도 범위가 넓고요.

반면 촉각수용체는 통각수용체보다 100배나 굵고 밀도가 낮은 대신 전달속도는 초속 70m로 상대적으로 빠르지요.

그럼 이렇게 전달된 촉각을 뇌가 어떻게 분석해서 통증으로 알려줄까요?

온도신경

오감 중 외부자극에 반응하는 촉각은 통증을 인식하는 데 중요한 역할을 합니다.

때문에 촉각을 정밀하게 측정할 수 있다면 곧 통증을 측정할 수 있는 것과 같은데요.

촉각신경 중 손상 여부를 가장 빨리 알려주는 부분은 상대적으로 세포 밀도가 낮은 온도신경인데요.

즉, 온도감각을 느끼는지만 정확히 측정할 수 있어도 신경손상을 알아차리고, 관련 질병을 조기진단 할 수 있는 것이지요.

다소 아리송한 설명이지만, 여기에서 핵심은 통증의 정도를 신경생리학적으로 객관화할 수 있는가 입니다.

체성감각 비밀을 풀다

한국표준과학연구원(KRISS) 첨단측정장비연구소 김기웅 박사 연구팀은 최근 세계 최초로 신경생리학적 두뇌반응에 기반해 통증 등 감각의 객관적 지표를 측정하는데 성공했습니다.

이번 연구는 단위로 정의할 수 없는 인간의 감각을 표준화할 수 있는데 한발 다가선 것을 의미하는데요.


나아가 인간의 감각을 신경생리학적 두뇌반응에 기반, 객관적 지표로 측정할 수 있게 된 것입니다.

이번 연구는 대뇌의 일차 체성감각 영역(Somatosensory Area)을 초정밀 측정하는 뇌자도장치로 진행됐는데요. 뇌자도는 뇌파가 발생시키는 자기장을 초전도양자간섭소자(SQUID)로 정밀측정하는 장비입니다.

한국표준과학연구원이 개발한 뇌자도한국표준과학연구원이 개발한 뇌자도



연구팀은 뇌자도를 이용해 뇌신경에서 발생하는 전기적 활동을 왜곡 없이 정밀하게 측정했는데요.

이 결과 대뇌의 1차 체성감각영역(S1)이 순수 온도자극에 반응한다는 사실을 최초로 입증했습니다.

지금까지 세계 학계에서는 대뇌의 2차 체성감각영역(S2)만이 순수 온도 감각을 처리한다는 것으로 여겼는데요. S1이 관여한다는 가설이 있어도 기존 fMRI로는 는 입증할 수 없어 논란이 있었습니다.

이에 연구팀은 뇌자도로 온도자극 시 뇌에서 자기장을 발생시키는 신경전류의 정확한 위치를 분석하는데 성공했습니다.

이에 따라 신경세포의 밀도가 낮으면 특정세포가 손상됐을 때 대신 작동할 수 있는 주변 세포도 부족하게 된다는 것, 세포 밀도가 낮은 온도신경은 미세한 손상이라도 받으면 뇌에 자극을 전달하지 못하는 것에 미뤄 온도감각을 정확히 측정하면 신경의 손상 여부를 알 수 있고, 나아가 질병을 조기에 진단할 수 도 있다는 것을  확인했습니다.

뇌자도 분석▲ 피부에 온도 자극을 가하면 뇌의 신경전류원에서 자기장이 발생한다. 연구진은 자기장이 발생하는 정확한 위치를 분석함으로써 기존에 알려진 부위(cSII) 이외에도 일차 체성감각 영역(S1)이 순수 온도 감각을 처리함을 밝혀냈다. (우측 그림의 cSI이 S1를 의미)



특히 이번 성과 중 주목할 것은 이를 기존 뇌전도나 fMRI 등에서 보이지 않았던 새로운 반응영역을 자체 개발한 뇌자도를 통해 찾아낸 것입니다. 

이번 연구결과는 세계 최고 수준 뇌과학전문학술지 ‘휴먼 브레인 매핑(Human Brain Mapping)’ 1월 24일 온라인판에 게재됐습니다.



용 어 설 명


순수 온도감각

신경생리학에서의 온도감각은 통각을 동반하는 경우와 그렇지 않은 두 가지 감각으로 구분할 수 있다. 지금까지 일차 체성감각(S1)에서는 통각을 동반하는 온도감각(뜨거움, 날카로운 차가움)만 처리할 수 있다고 알려져 있었지만, 이번 연구를 통해 순수한 온도감각(따스함, 시원함)까지도 처리하고 있음을 입증하게 되었다.

 

스퀴드(SQUID, Superconducting QUantum Interference Device, 초전도양자간섭소자)

초전도 현상을 이용한 정밀측정소자이다. 스퀴드는 양자역학적인 측정한계에 도달하는 수준의 초고감도 센서로서, 스퀴드를 이용한 자기장 센서는 지구 자기장의 100억분의 1 정도의 미약한 자기장 변화까지 측정할 수 있다.

스퀴드 센서는 인류가 개발한 자기장 센서 중에서 감도가 가장 높으며, 뇌 및 심장 등에서 발생되는 미약한 자기장 측정에 필수적이다.

 

뇌자도(腦磁圖) 측정장치(MEG, MagnetoEncephaloGraphy)

뇌는 많은 뇌신경세포(뉴런)로 구성되어 있는데, 신경세포 간에 전기를 주고 받음으로써 뇌기능 활동이 일어난다. 신경세포에 전류가 흐르면 자기장이 발생되고 머리 주위에 자기장 분포가 형성되는데, 이를 고감도 자기센서인 스퀴드로 측정하는 기술이 뇌자도 방법이다.

스퀴드를 이용한 뇌자도 측정기술은 비접촉 및 비파괴적인 진단기술로서 우수한 시간 및 공간분해능을 가진다. 따라서 뇌의 신경활동부위에 대한 3차원적인 정보를 얻을 수 있고 기존의 뇌기능 진단기술과는 뚜렷한 차별성을 가지고 있는 차세대 의료진단기술이다.

 

fMRI(functional Magnetic Resonance Imaging, 기능적 자기공명영상)

두뇌가 각각의 기능을 수행하게 되면 신경세포의 전기적 활성에 따라 산소 소모량이 증가하게 된다. fMRI는 혈액의 산소가 많이 소모되는 지점과 그 양을 영상으로 표현하는 장치로서 어떤 행위를 할 때 어느 부위가 활성화되는지 확인할 수 있다.

하지만 외부 자극으로 신경이 활성화 되면 2-3초 후 주변의 혈관이 부풀고 이때 산소량이 변화하는 것을 측정하므로, 시간 및 공간적으로 실제 활성화된 신경의 위치와는 불일치할 가능성이 높다.

특히 시각, 청각, 촉각 등 즉각적으로 반응이 일어나는 감각을 측정하기에는 시간적으로 너무 느린 탓에 기타 추후 반응들이 섞일 가능성이 있고, 공간적으로도 신경의 위치보다는 혈관이 두껍거나 모여 있어 산소변화량이 많은 곳의 위치가 보이는 경우가 있다. 

 

신경생리학(neurophysiology)

인체의 신경기능에 의해서 이루어지는 모든 생리현상을 연구하는 생리학의 한 분야이다. 주로 대뇌신경계통의 문제 및 신경세포, 신경섬유의 물리적 메커니즘, 신경 단위의 결합으로 이루어지는 중추신경세포의 문제 등을 연구한다.


연구성과의 의의 및 활용방향


아직까지는 인간의 감각에 관해서는 객관적 측정지표가 없다. 통증 때문에 병원에 방문하면, “인생에서 가장 아팠던 경험을 10이라고 했을 때, 지금 느끼는 통증은 1부터 10까지 중에 얼마에 해당하나요?”라는 질문을 받는다.

이것은 순서량이라고 하는 측정값으로써 매우 주관적이다.

2010년 국제도량형국(BIPM) 워크샵에서는 “Measuring the Impossible“을 주제로 기존 단위로 정의되지 않는 인간 지각의 측정과 해석에 관한 미래 측정표준의 필요성이 강력히 주장되었다. 뇌자도를 이용한 감각 및 지각 과정의 연구는 기존의 주관적 설문응답 대신 객관적인 뇌신경생리학적 반응을 측정할 수 있다는데 의의가 있다.


연구성과 에피소드


KRISS는 이미 순수 국내기술로 인간 대상 뇌자도 측정장치를 개발하였으며, 뛰어난 우수성을 인정받아 지난 2016년 해외 기술이전에도 성공하였다.

지금까지 KRISS는 이 뇌자도 측정장치를 이용하여 국내 유수 연구기관 및 병원과의 공동연구로 뇌과학, 뇌질환 관련 논문을 다수 출판하였다. 이번에는 외부 협력 없이 자체적으로 뇌과학 연구를 성공적으로 수행함으로써 KRISS의 연구역량이 측정장비 개발은 물론 뇌과학 분야에서도 세계적 수준에 도달했음을 입증하게 되었다.



연구자 약력


1. 인적사항

 ○ 성 명 : 김 기 웅        ○ 직 위: 책임연구원

 ○ 소 속 : 한국표준과학연구원 첨단측정장비연구소

 ○ 전 화 : 042-868-5676, 010-3033-7492

 ○ e-mail : kwkim@kriss.re.kr


2. 학력

 ○ 1995 KAIST 물리학과 이학사 (고출력레이저광학)  

 ○ 1997 KAIST 물리학과 이학석사 (비선형동력학)

 ○ 2002 KAIST 물리학과 이학박사 (고체물리학)


3. 경력사항

 ○ 2006 – 2007, 미국 프린스턴 대학교 물리학과, 객원연구원 

 ○ 2012 – 2012, 독일 PTB/Bernstein 뇌신경센터, 초청과학자

 ○ 2006 – 현재, 과학기술연합대학원대학교 의학물리학과 교수  

 ○ 2002 – 현재, 한국표준과학연구원 첨단측정장비연구소(우대/책임연구원)


4. 학회/전문 활동

 ○ 국제학회: IEC TC90 전문위원(WG14), IEEE 회원, Institute of Complex Medical Engineering 위원, Asian Symposium on Magnetocardiography 운영위원회 위원, Asia-Pacific Signal and Information Processing Asociation 기술위원회 위원 등

 ○ 국내학회: 한국초전도학회, 대한의용공학회, 한국생체전자기학회, 대한뇌기능매핑학회, 한국물리학회, 국제생체자기학회


5. 전문 분야 정보

 ○ 생체자기학(뇌자도, 심자도), 원자물리학, 초전도물리학, 극저자장 자기공명, 자기공명힘현미경, 전기생리학, 기계학습, 역문제 해법, 최적화 기법 등


6. 발표논문, 특허 및 수상내역 등

 ○ Kiwoong Kim, et al., “Magnetoencephalographic study of event-related fields and

cortical oscillatory changes during cutaneous warmth processing” Human Brain Mapping (2018) 등 논문 150 여 편 

 ○ "극저자장 핵자기공명 심근전기활동 직접 검출방법 및 극저자장 핵자기공명장치" 등 국내/국제 등록 특허 40여 건, 출원 특허 40여 건

 ○ 심자도측정기술 기술이전(독일 BMP 사, 선급 15억 5천만원, 2010), Optical transfer technique(독일 BMP 사, 1억 3천만원, 2015), 뇌자도 시스템 기술이전(호주 Compumedics 사, 선급 12억원, 2016) 참여

 ○ BIOMAG 젊은연구자상, 국가과학기술연구회 우수성과 10선 미래부 장관상(2위), UKC Intellectual Property competition Sponsorship Award, 융합연구 미래부 장관표창, 2014 지멘스-뇌기능매핑학회 학술상, 올해의/이달의 KRISS인상 등 국내외 20 여 개 연구상 수상 


posted by 글쓴이 과학이야기

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'편도체(amygdala)'는 인간의 뇌 영역중 공포, 불안, 성행동 등을 결정짓는 역할을 합니다. 

한국기초과학지원연구원 자기공명연구부 조경구, 김형준 박사 연구팀은 자기공명영상(MRI)을 활용한 뇌 연구를 통해, 인간 뇌 '편도체 중심핵(CeA)'의 노화에 따른 변화가 남성과 여성에 있어 현격한 차이가 있음을 세계 최초로 규명했습니다.

연구팀은 121명의 피실험자 뇌를 MRI로 촬영해 편도체 영역을 분획하고, 분획된 편도체 영역을 3차원 영상으로 변환한 뒤 형태분석 및 부핵 분석을 수행했습니다.

이번 연구결과 편도체 중심핵은 내분비계와 밀접한 관련을 가지며 불안 등 감정을 조절하는 역할을 하고, 여성의 경우 나이가 들어감에 따라 이 부분이 급격하게 줄어드는 반면 남성은 변화가 적었습니다.

특히 여성의 불안장애 유병율이 남성보다 높지만, 폐경기 이후 여성의 유병율은 감소하는 것도 편도체 중심핵 변화와 밀접한 관련이 있을 것으로 추정했습니다.

기존 연구결과에서는 50세 폐경기를 전후한 여성의 경우 여성 호르몬이 급격히 줄어드는 반면 남성 호르몬의 변화는 적기 때문에 호르몬 변화에 의해 유병율이 감소한 것으로 보고 있습니다.

또 동물은 페로몬 정보를 처리하는 뇌 편도체 피질핵(CoA)이 암수 차이를 보였지만, 인간을 대상으로 한 실험에서 남녀차이가 있는지 밝혀지지 않았었는데, 이번 연구를 통해 인간의 경우 남성의 뇌 편도체 피질핵의 크기가 보다 큰 것을 밝혀냈습니다.

지금까지 인간은 페로몬을 처리하는 보습코계라는 기관이 별도로 있지 않은 것으로 알려졌기 때문에 뇌 피질핵 크기에서 남녀차이가 없는 것으로 보고되었습니다.

연구팀은 이러한 뇌 편도체 피질핵의 크기 차이로 인해 남성이 성적인 의미를 담은 시각 자극에 여성보다 민감하게 반응하는 것도 설명할 수 있는 것으로 보고 있습니다.

이번 연구는 향후 임상적 데이터가 축적되면 편도체와 관련된 신경정신질환의 보조진단도구로 쓰일 수 있을 것으로 보고 있습니다.

이번 연구는 조경구, 김형준 박사팀을 비롯, 경희대, 서울아산병원 등 3개 기관 협동연구로 추진됐습니다.

연구결과는 뇌영상 분야 권위지인 '뉴로이미지(NeuroImage)' 5월 1일자 표지논문으로 게재되었습니다.
(논문명 : Sex differences in amygdala subregions: Evidence from subregional shape analysis, IF=5.937)


'그림 b'의 붉은 화살표가 가리키는 영역이 여성의 나이가 들어감에 따라 빠른 쇠퇴를 보이는 편도체 중심핵이다.


 용  어  설  명

부핵분석 :
편도체 표면의 특정 위치가 3개의 부핵(central nucleus, cortical nucleus, laterobasal nucleus)에 속할 확률에 근거하여 계산을 수행한 뒤, 각각의 부핵의 크기를 산출하는 방법이다.

편도체 중심핵(central nucleus) :
자율신경 반응 및 호르몬 분비를 조절한다. 불안한 심리상태와 관련을 가지는 것으로 알려져 있다.

편도체 피질핵(cortical nucleus) :
후각 자극을 처리하는 곳으로, 동물에서는 성행동 및 후각정보 처리에 관여하는 것으로 알려져 있다.

보습코계(vomeronasal organ) :
성행동에 주로 관여하는 것으로 알려진 제2의 후각기관이다. 많은 동물에 존재하지만, 대부분의 연구자들은 인간에게는 없는 것으로 생각한다.


김형준 박사

조경구 박사

 

posted by 글쓴이 과학이야기

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2012. 1. 27. 16:45 대덕밸리과학소식/KAIST

PET-MR은 인체조직의 해부학적 영상과 물질대사의 분석이 가능한 자기공명영상기기(MRI)와, 인체의 세포활동과 대사상태를 분자 수준까지 분석할 수 있는 양전자방출단층촬영기기(PET)의 장점이 결합된 최첨단 의료영상기기입니다.

이처럼 PET와 MRI의 장점만 갖춘 꿈의 의료영상기기인 PET-MR의 상용화를 위해 실리콘 광증배관 개발이 필수적입니다.

진공관식 광증배관을 이용하는 기존의 PET는 MR장비의 강한 자기장으로 인해 심각한 영상 왜곡이 발생하기 때문입니다.

실리콘 광증배관은 의료영상기기의 방사선 검출기에 들어오는 빛을 증폭하는 부품으로, 현재 국내에서 시판되는 대 당 50원 상당의 PET-MR 가격 중 10% 이상을 차지할 정도로 매우 고가입니다.

우리나라의 PET 시장규모는 3000억 원(2010년 기준)에 달하지만, 실리콘 광증배관 관련 기술은 독일, 일본, 미국 등 극소수 국가들만 보유하고 있으며 국산 부품은 전무했습니다.

□ KAIST 원자력및양자공학과 조규성 교수팀과 나노종합팹센터 설우석 박사팀이 공동으로 의료영상기기 중 하나인 PET-MR의  핵심소자 '실리콘 광증배관(SiPM)'을 개발하는 데 성공했습니다.


연구팀이 개발한 PET-MR용 반도체형 광증배관 사진

연구팀은 조도가 낮은 PET 감마선 섬광신호를 측정하는 실리콘 광증배관의 구조를 최적화하고 반응속도를 높여 에너지와 시간분해능을 동시에 향상시켰습니다.


또 소자 내부증폭을 통해 저조도의 광량을 100만 배 증폭 시킬 수 있어 단일광자까지 측정 가능하도록 만들었습니다.

이와 함께 제작 공정을 단순화해 진공관식 광증배관 대비 1/10 수준의 가격경쟁력을 갖췄으며, 크기는 1/1000 수준으로 소형화를 실현했습니다.

연구팀이 개발한 실리콘 광증배관은 올해 동물실험을 거쳐 앞으로 2년 이내에 우선적으로 뇌전용 PET-MR에 적용해 상용화할 계획입니다.

반도체형 광증배관과 섬광체 단결정이 결합된 PET 검출기 개념도

마이크로 셀 어레이로 구성된 실리콘 광증배소자

격자형 섬광결정과 어레이형 실리콘 광증배소자 및 신호처리회로가 결합된 PET 검출기 모듈

단일 광증배소자 (우상) 및 4x4 어레이구조의 16채널 광증배소자(우하)



 용  어  설  명

실리콘 광증배관(SiPM ;Silicon Photo Multiplier) :
소자의 내부증폭을 이용하는 광다이오드의 한 종류.
일반적인 광다이오드는 흡수한 광신호를 외부 증폭회로를 통해 증폭시키게 되는데 이때 외부 잡음도 함께 증폭되는 문제가 있다.
실리콘 광증배관은 소자의 내부에서 100만배로 신호를 증폭시킬 수 있어 단일 광자까지 측정가능 한 소자이다.

진공관식 광증배관(PMT) :
광전효과를 이용하여 빛을 증폭시키는 소자.
입사된 광자를 전자로 변환시킨 뒤 전기장하에서 가속하여 증폭시키는 과정을 반복한다.
증폭률이 100만배에 가깝고 그 성능을 인정받아 현제까지 가장 많이 사용되고 있는 광소자이다.
하지만 자기장 하에서 전자의 움직임이 영향을 받아 PET-MR에 사용할 수 없다.

양전자방출단층촬영기기(PET) :
환자에 양전자를 방출하는 동위원소를 주입한 뒤 특정부위에서 양전자가 방출되면 180° 방향으로 전자의 소멸에 의한 소멸방사선이 발생된다.
이때 환자를 둘러싼 링형태의 검출기에서 두 개의 소멸방사선을 동시에 계측하여 위치를 추정하게 된다.
암은 형성 초기에 다량의 포도당을 이용하여 에너지를 사용하므로 동위원소 표지가된 포도당을 주입하여 암의 조기 진단이 가능하다.
또한 CT나 MRI와 달리 신진대사 및 분자의 거동을 볼 수 있어 분자영상기기라고도 불린다.

감마선 :
방사선의 일종으로 에너지가 높아 투과율이 가장 높다.
PET에서 사용되는 동위원소에서는 전자의 소멸에 의해 511keV의 감마선 쌍이 180도 방향으로 방출된다.

에너지 분해능 :
방사선 측정기에서 서로 다른 에너지의 방사선을 구별할 수 있는 능력.
에너지 분해능이 높아야 잡음 및 외부 방사선으로부터 표적물질이 구분 가능하다.

시간 분해능:
방사선 측정기에서 측정된 서로 다른 신호의 반응 시간을 구별 할 수 있는 능력.
시간 분해능이 높아야 180도 방출된 소멸방사선의 동시계수가 가능하다.

<보 충 설 명> 

▣ PET-MR의 임상적 유용성

PET-MR은 PET(양전자단층촬영장치)와 MRI(자기공명영상장치)의 장점만을 합친 퓨전(융합)영상기기이다.
-PET는 뇌세포의 유전자 및 분자과학적인 변화를 알 수 있지만, 공간해상도가 떨어진다는 단점이 있다.
-반대로 MR은 수백 mm 정도로 해상도가 높으나 유전자 및 분자과학적인 변화를 볼 수 없다.
-PET-MR은
-두 영상기기의 단점을 해결해, 뇌 세포의 기능 및 분자과학적인 변화를 3차원 고정밀 영상으로 얻을 수 있다.
-6겹으로 이루어진 뇌의 피질을 층마다 분리해 정밀하게 볼 수 있으며(해부학적 고해상도 영상), 뇌의 미세혈관도 분자수준에서 관찰(생리학적 고민감도 영상)이 가능하다.
-MRI영상과 PET 영상을 동시에 얻음으로써 같은 위치에 있는 조직의 생화학적 변화를 동시에 관찰하여 진단의 민감도(sensitivity, TP)와 특이도(specificity, TN)를 향상시킬 수 있다.
-저해상도 PET 영상이 호흡이나 심장박동과 같이 인체의 motion artifact에 의해 저해되는 것을 gated MR 영상을 이용하여 보정할 수 있다.

▣ 시장규모

-2010년 미국의 PET 및 PET-CT 시장은 약 5.2조원으로 5년 평균 16.7%성장률을 기록하고 있다.
한국의 PET시장은 2010년 까지 150대에 이르는 PET기기 도입으로 3400억에 이르는 시장을 형성하고 있다.
또한 고령화 사회로 진입함에 따라 암, 치매에 대비한 PET-CT 혹은 PET-MR 융합기기의 수요가 증가하여 더 큰 규모의 시장형성이 예상된다.

▣ SiPM개발의의

Siemens사는 실리콘 Avalanche photodiode (APD)를 이용하여 직접 융합하는 방식의 PET-MR을 2010년 후반부에 출시한 바 있다.
하지만 실리콘 APD는 진공관식 증배관에 비해 자기장에 강하지만 증폭도가 낮고 이득이 불안정한 것이 단점이다.
실리콘 광증배관은 5~6년전 아일랜드의 SensL사가 최초로 상용화한 광센서로서 실리콘 APD와 진공관식 광증배관의 장점만을 취할 수 있기 때문에 낮은 조도의 광신호를 크게 증폭시킬 수 있는 데 심지어는 단일 광자까지 측정 가능하다.
또한 기존 진공관식 광증배관에 비해 소형이고 양산성이 좋아 경제성이 높은 새로운 광 소자로써 각광을 받아 국내외 연구가 활발히 진행되고 있다.

▣ 의료영상기기의 특징 및 현황(2011년 6월 기준)

1) CT

- 원리 : 빛 에너지인 X선을 360도 각도에서 촬영해 재구성한다. 2차, 3차원 영상촬영이 가능하다
- 특징 : 조직의 밀도차이를 구별한다. 움직이는 장기(심장, 폐, 내장) 촬영에 적합하다. MRI보다 저렴하며 조영제를 쓰기도 한다.
- 국내보유 : 1743대
- 대당가격 : 15억원

2) PET

- 원리 : 방사성 약을 인체에 주사하면 포도당 등과 결합해 양전자가 나온다. 이때 나오는 감마선 신호를 영상화 한다.
- 특징 : 인체 조직의 기능과 대사 상태를 영상화한다. 한 번 만에 전신을 찍는다. 문제 위치를 정확히 드러내지 않아 최근 CT와 융합해서 많이 사용한다.
- 국내보유 : 155대
- 대당가격 : 20억원

3) MRI

- 원리 : 체내 물 성분의 하나인 수소 원자핵에 자기장을 걸고 핵 진동을 일으켜 신호를 분석한다.
- 특징 : 수분이 많은 근육, 인대, 물렁뼈, 디스크, 혈관, 지방, 뇌를 CT보다 정확히 보여준다. 방사선을 쓰지 않는다.
- 국내보유 : 985대
- 대당가격 : 20억원

posted by 글쓴이 과학이야기

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  1. 단일광자? 2012.01.29 21:56  Addr Edit/Del Reply

    제가 잘 몰라서 그러는데요~
    단일광자를 측정한다는 게 어떤 의미인지요?
    정말로 광자(?)를 한 개 한 개 측정가능하단 건가요?

    • 글쓴이 과학이야기 2012.02.10 19:04 신고  Addr Edit/Del

      답변이 늦었습니다.
      말씀하신데로 단일광자, 즉 빛 입자 하나 하나를 구분해서 측정할 수 있습니다.
      개발자인 KAIST 조규성 교수님의 말씀을 빌리자면, 단일 광자 하나는 에너지가 굉장히 작은데, 이를 100만 배 정도 증폭시키는 것이 이 기술의 핵심이라고 합니다.

암은 현대 인간에게  가장 높은 사망 원인을 제공하는 질병입니다.

인체 내에 존재하는 면역세포를 이용한 암 치료 기술은 2010년 4월 최초로 미국 덴드리온사가 FDA의 승인을 받은 바 있습니다.

그러나 이 치료법은 환자에서 약 40일정도의 생존 연장을 주는 것에 만족해야 합니다.

이런 가운데 나노융합기술 기반의 신개념 항암 면역세포 치료기술로 항암 치료 능력을 획기적으로 높일 수 있는 기술이 고려대 김영근 교수팀과 서울대병원 박영배 교수팀으로 구성된 공동 연구팀에 의해 개발됐습니다.

복합기능 산화철-산화아연 나노입자 모식도, 투과전자현미경 사진 및 자기적, 광학적 특성


공동 연구팀은 융합연구를 통해 내부는 산화철, 껍질은 산화아연으로 구성된 코어-쉘 구조의 나노입자를 제조한 후 수지상세포에 탑재하고, 이에 대한 동물실험을 통해 종래의 수지상세포 치료기술보다 항암 치료 능력이 뛰어난 결과를 얻었습니다.

환자에 수지상세포를 주사하면 림프절로 이동하여 암세포를 죽일 수 있는 T-세포를 교육시키고, 수지상세포로부터 교육 받은 T-세포는 암 조직으로 이동해 암세포의 증식을 억제합니다.

즉, T-세포는 암에 맞서 최일선에 싸우는 병정 세포라 볼 수 있고, 수지상세포는 T-세포가 암과 잘 싸울 수 있게 T-세포를 자극시키는 훈련관이라 할 수 있는 것입니다.

개발된 산화아연 결합 펩타이드와 나노입자의 친화도 분석 결과.


따라서 T-세포가 암의 특징(항원)을 잘 인식할 수 있도록 충분한 양의 항원을 수지상세포에 탑재하는 것과, 환자의 림프절에 많은 수지상세포가 이동하도록 하는 것이 수지상세포를 이용한 면역세포치료의 핵심사항입니다.

기존의 방식들은 이러한 종양특이항원의 탑재효율이 낮거나 이를 객관적으로 모니터링하는 것이 어려워 항암치료에 어려움을 겪어왔습니다. 

이러한 문제를 해결하기 위해 연구진은 직경 10nm의 나노입자에 초정밀 기술을 활용해 항암 면역 세포치료에 필요한 3가지 기능을 동시에 갖도록 했습니다.

암 항원과 나노입자의 수지상세포 내 도입 효율을 분석 결과.


이번에 개발한 나노입자는 마치 호두처럼 내부는 산화철(Fe3O4), 껍질은 산화아연(ZnO)으로 이뤄진 구조로입니다.
 
산화철은 자성을 띄므로 자기 MRI 영상, 산화아연은 반도체로서 발광현상에 의한 형광영상을 각각 제공합니다.

나노입자의 체내 독성 또한 향후 임상에 영향을 미칠 수 있으므로 연구진은 재료선택 시 이러한 점을 고려했다고 합니다.

산화철 나노입자는 이미 MRI 영상조영제로서 널리 쓰이고 있고, 산화아연 나노입자는 자외선차단제인 선블럭 크림에 쓰이고 있어 다른 반도체 재료보다 독성이 없음이 이미 알려져 있는 소재입니다.

또한 산화아연 표면에 스카치테이프 역할을 하는 생체분자인 펩타이드 서열을 고안하여 대장암, 위암 같은 암세포에만 있는 분자항원을 나노입자에 부착할 수 있도록 설계했습니다.

MRI를 이용한 세포 및 생체내 나노입자 영상 분석 결과.


이러한 복합구조의 나노입자를 수지상세포에 넣고, 암에 걸린 쥐에 주사하였을 때, 다른 대조군에 비해 현저히 향상된 항암효과를 관찰할 수 있습니다.

또한 개발된 나노입자 구조체는 기존의 MRI 조영제와 달리 약 1시간 내에 수지상세포 탑재가 가능하고, 종양특이항원의 수지상세포 내 전달, 수지상세포의 인체 내 전달을 동시에 확인할 수 있는 다기능성을 보유하고 있습니다.

이번 연구결과는  '나노기술 분야의 최고 권위의 학술지인 영국의 '네이쳐 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)' 9월 11일자 온라인 판에 "A multifunctional core-shell nanoparticle for dendritic cell-based cancer immunotherapy"란 제목으로 게재됐습니다.

이번 연구에는 국립암센터 이상진 박사 , 김대홍 박사, 포항공대 생명과학부 양재성, 김상욱 교수가 참여하였고, 서울대 박사과정 정택진 학생, 고려대 박사과정 민지현 학생, 고려대 우준화 연구교수가 실험을 진행했습니다.

현재 본 연구와 관련한 나노입자 제조기술은 이미 우리나라, 일본, 미국 특허가 등록된 상태이며, 펩타이드를 포함하는 산화아연 복합체 기술은 PCT 특허를 출원한 상태입니다.


 용  어  설  명
 
복합기능 나노입자 :
MRI촬영에 활용 가능한 자기적 특성, 형광영상 촬영에 가능한 광학적 특성, 암항원의 수지상세포내 전달에 필요한 생체기능성 등 두 가지 이상의 기능을 동시에 구현할 수 있도록 고안된 나노입자.

펩타이드 서열 :
여러 개의 아미노산이 공유결합으로 연결된 중합체. 일반적으로 크기가 작은 단백질을 일컬음.

수지상세포 기반 항암 면역치료기술 :
선천면역계화 후천면역계를 기능적으로 연결하여 면역반응을 활성화 시키는데 핵심적인 역할을 수행하는 면역세포인 수지상세포를 인위적으로 조절하여 암에 대한 면역반응을 증강시킴으로서 암을 치료하는 환자 맞춤형 의료 신기술. 미국 FDA는 2010년 덴드리온사의 전립선암에 대한 수지상세포 치료제를 최초로 허가하였다.


 

posted by 글쓴이 과학이야기

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  1. 와, 앞으로 암을 퇴치할 수 있는 방법이 더 많아졌군요. 선배님의 과학관련된 글이 정말 재밌습니다.^^
    어려운 과학용어같은 경우 공부를 따로 하시는건지요?

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