김영근 교수팀, 형광 물질로 암 광열 치료 실시간 추적 기술 개발

본교 김영근 교수 연구팀이 세포 속에서 나오는 형광물질을 이용, 광열치료의 위치를 실시간으로 볼 수 있는 산화철 광열제 기술을 개발했다.

* 광열치료 : 암 부위에 나노입자를 전달한 후 근적외선 레이저가 쬐어질 때 발생하는 열을 이용해 암 세포를 괴사시키는 치료방법. 수술치료 등 기존 암 치료 방법과 달리 탈모나 구토 등의 부작용이 적어 새로운 치료기술로 주목받고 있음

* 광열제(Photothermal agent): 광역학 치료 시 쬐어지는 빛에 반응하여 열을 발생시키기 위한 작용물질

그동안 광열치료에서는 금(Au) 나노입자를 주로 연구해왔다. 금 나노입자는 가시광 및 근적외선 빛 흡수에 의해 열이 쉽게 나기 때문이다. 그러나 낮은 조도에서 효과가 낮고, 금 나노입자 표면을 화학적으로 변형시키는데 사용되는 결합은 온도가 높아질수록 안정성이 떨어졌다. 따라서 최근에는 산화철 나노입자가 광열제로서 부각되고 있다.

연구팀은 근적외선 파장의 레이저를 쬐어 산화철 나노입자의 광열효과를 유도했다. 이로 발생하는 열이 나노입자 주변에 있는 고분자의 탄소사슬 구조를 변형하여 파이(π)-공액 구조를 가지는 새로운 공액고분자 구조를 형성시킴으로써 강한 형광이 나타나는 것을 확인할 수 있었다.

• ◆ 산화철 나노입자-고분자 복합체의 광반응에 의한 π-공액고분자 변형과 형광 발광현상

* 파이(π)-공액 구조: 2개 이상의 원자가 서로 전자를 방출하여 전자쌍을 형성하고 이를 공유함(공유결합)으로써 분자를 형성할 때, 분자가 만드는 평면과 수직 방향으로 분포하는 파이(π)결합이 번갈아 짝지은 전자 구조

* 공액고분자 구조: 탄소의 단일결합과 이중결합의 반복으로 인해 형성된 π-공액 구조를 갖고 있어, 기존의 고분자에 비해 낮은 밴드갭(전자가 원자에서 분리되는)에너지를 갖는 반도체적 전기전도성과 가시광영역대의 빛을 내는 고분자구조

나노입자를 세포에 흡수시켜 광열효과를 유도하는 경우도 형광이 나타났다. 세포내에 유기물질이 고분자의 역할을 하여 π-공액 구조로 변형되었기 때문이다. 또한 레이저의 세기와 나노입자의 농도 및 크기를 조절했을 때에 형광의 세기가 달라졌다. 나노입자의 크기가 크고 농도가 높을수록 형광이 강하게 나타났다.

◆크기별 산화철 나노입자의 광열반응에 의한 세포의 형광 발광현상

김영근 교수는 "이 결과는 산화철 나노입자가 광열치료에 응용되었을 때, 부분적으로 치료가 일어나는 위치를 실시간으로 볼 수 있음을 의미한다." 며 "비수술 방식의 새로운 분야를 개척하기 위한 광열치료기술의 가능성을 제시한다."고 연구의 의의를 밝혔다.

이 연구 성과는 과학기술정보통신부․한국연구재단 나노·소재원천기술개발사업의 지원으로 수행됐으며 국제학술지인 스몰(Small) 7월 27일자 논문(교신저자 : 김영근, 김유진. 제1저자 : 박범철)으로 게재됐다.

기사작성 : 커뮤니케이션팀 남상헌(kize@korea.ac.kr)