Optical and biological responses of enhanced photothermal applications against cancer tissue

Abstract

현대사회에서 치명적인 사망원인 중 하나인 암은 현재 많은 기술이 발달했음에도 불구하고 여전히 완전한 치료를 기대하기 어려운 질병으로 손꼽히고 있다. 외과적 수술이나, 약물, 방사선, 면역치료와 같은 다양한 암 치료 관련 연구 및 개발로 생존율은 지속적으로 향상되고 있으나, 여전히 재발의 가능성이 높고 정상세포에까지 영향을 미치는 부작용은 남아있다. 최근 표적치료법으로써 레이저를 이용한 광열치료 (Photothermal therapy)가 유망한 암 치료법 중 하나로 여겨지고 있다. 광열치료란 레이저 빛을 광반응제에 조사하여 국소적으로 열을 발생시킴으로써 암세포의 사멸을 유도하는 치료법이다. 효과적인 광열치료를 위해서는 레이저로 인한 정상조직의 손상은 최소화하고 높은 열효율을 내는 것이 가장 중요하다고 볼 수 있다. 따라서 본 연구에서는 다양한 광반응제와 광학 응용법을 통한 효과적인 광열 암치료에 대해 조사하였다. 먼저 항암 물질인 독소루비신 (Doxorubicin)과 후코이단 (Fucoidan)이 합성된 금 나노입자를 이용하여 광열과 약물 치료가 통합된 안구 종양 치료 연구를 진행하였다. 제조된 나노입자는 생리적 환경에서 높은 안정성을 보이고 강한 광흡수율 및 열 변환 효율 때문에 광열 및 약물 효과 모두 발생시켜 종양을 완전히 제거할 수 있었다. 또한 유기합성물질 (NI2 NPs)를 이용하여 기존 유기물질의 한계점인 낮은 광안정성과 광열반응을 향상시켜 직장암치료에 대한 광열치료 효율을 높이고자 하였다. 실험 결과, 제안된 NI2 NPs는 기존 유기물질과 비교하여 뛰어난 광안전성을 가지며 효과적인 광열 변환효율가지고 있었고, 직장암 세포 및 직장암 종양모델에서 대조군과 대비하여 뛰어난 암 치료 효과를 보였다. 그러나, 이러한 전형적인 광열치료에 사용되는 레이저 조사는 Gaussian 광 분포를 따른다. 이러한 분포는 종양에 전체적으로 고르게 분포되지 않고 중심에서 가장 큰 세기를 가지기 때문에 암이 잔류하게 될 가능성이 있어 균일한 열분포를 위한 광학적인 응용실험 또한 진행하였다. 먼저 같은 에너지 양에서 레이저 세기 조절을 이용하여 직장암 종양 모델의 광열치료 효과에 대하여 조사하였다. 강한 세기로 짧게 조사하는 경우, 전반적인 열손상은 넓게 나타나지만 종양내부 깊숙이 응고괴사를 유도하기에는 부족했고, 약한 세기로 오래 조사하는 경우는 충분한 온도 도달이 어려워 종양이 없어지지 않고 성장하는 효과를 보였다. 그러나 강한 세기로 일정기간 조사하고 약한 세기로 바꿔준 경우, 전반적인 열손상과 종양내부 깊숙이 응고괴사가 유도되는 것을 확인 할 수 있었다. 또한 Multi-lens arrays (MLA)를 이용한 마이크로빔 패턴을 이용하여 불균일한 전방 조사의 한계점을 보완할 수 있는 광열치료법 연구를 진행하였다. 그 결과, 전방형 광섬유보다 MLA를 이용하여 조사하였을 때, 더 넓고 더 깊게 광분포를 나타내었고, 직장암 종양모델에서 또한 더 균일한 광열손상을 보여 효과적인 종양제거를 유도하였다. 이러한 실험 결과들은 임상적으로 사용할 수 있는 광열 암치료에 대한 다양한 방법을 제공하여 완전한 암치료에 대한 가능성을 제공하였다. 그러나, 이러한 광열치료 진행 시 잔여 암에 대해서 종양성장이 촉진되는 경향이 확인되어, 이러한 레이저 조사에 따른 종양성장 촉진 효과를 확인하기 위하여 다양한 파장대에 대한 종양 성장 매커니즘에 대하여 조사하였다. 직장암 마우스 모델을 제작하여 각각 405 nm, 635 nm, 808 nm 레이저를 조사하여 적출한 후 웨스턴 블랏 (Western blot), 실시간 중합효소연쇄반응 (qRT-PCR), 면역조직화학염색 (Immunohistochemistry)을 통하여 악성 증식 및 혈관 생성 관련 단백질 인자들을 정량분석 진행하였고, 그 결과 405 nm 레이저에서 가장 높은 촉진 효과를 관찰하였으며 그 다음 808 nm, 635 nm 순으로 촉진 효과를 확인할 수 있었다. 이러한 종양 촉진 매커니즘 연구를 통하여 레이저 치료에 대한 안전성 확보를 강조하였다. 결과적으로 본 연구에서는 다양한 나노입자와 에너지 전달법을 이용한 광열 치료는 효과적으로 암을 치료할 수 있는 방법 및 레이저 사용으로 인해 발생할 수 있는 광 자극 반응에 대한 안전역을 제공할 수 있었다. 추후 정확한 선택성과 영상 진단을 위한 나노입자 개발 및 다양한 광전달 응용법에 대한 연구를 통하여 치료 효율을 높여야 할 것으로 여겨진다.