- 향후 폐암, 간암 등 다양한 암세포 주 이용 전임상시험 추진 -

□ 체렌코프 효과는 1958년 노벨 물리학상을 받은 러시아의 과학자 체렌코프 박사가 발견한 현상으로, 전기적 성질을 가진 입자가 물속을 빛의 속도보다 빠른 속도를 운동할 때 빛이나 X선을 방출하는 효과이다. 원자로 수조가 푸른 빛을 내는 이유이기도 하다. 

□ 한국원자력연구원(원장 주한규) 첨단방사선연구소(소장 정병엽)는 방사성동위원소 지르코늄-89(Zr-89)에서 발생하는 체렌코프 효과를 이용해 암 사멸 나노물질을 개발하는 데 성공했다고 18일 밝혔다. 

□ 가속기동위원소연구실 박정훈 박사 연구팀은 약 100 nm (나노미터, 10억분의 1미터) 크기로 만든 산화티타늄 나노입자 내부에 진단용 동위원소 지르코늄-89(Zr-89)를 넣었다. 이 나노입자 표면을 생체단백질인 트랜스페린으로 코팅하고, 트랜스페린 외부에 산화망간을 첨가해 암세포 근처에서 활성산소*를 발생시키는 나노물질을 개발했다. 산화티타늄과 산화망간에서 발생한 활성산소는 암세포의 DNA를 손상시켜 암세포를 죽인다.

   ※ 활성산소 : 반응성이 큰 산소 화합물로 세포의 DNA를 손상시킨다.

ㅇ 특히, 연구진은 나노물질의 내부는 산화티타늄, 외부는 산화망간으로 만들어 활성산소를 이중으로 방출하는 나노물질 구현에 성공했다. 나노물질 내부의 지르코늄-89에서 나오는 입자는 영상 진단에 사용될 뿐만 아니라, 체렌코프 효과를 유발한다. 여기서 발생한 자외선에 의해 산화티타늄에서 활성산소가 발생한다. 또한, 산화망간은 암세포 주변의 약한 산성 조건과 체렌코프 효과에 의해 분해되어 활성산소를 방출한다.

ㅇ 나노입자를 둘러싼 생체단백질 트랜스페린은 나노물질이 서로 붙지 않게 막아 100 nm의 크기를 유지하고, 나노물질과 암세포가 잘 부착되게 해 활성산소가 암세포에 효과적으로 전달되게 한다.

ㅇ 연구진은 과학기술정보통신부 원자력연구개발사업의 지원을 받아 수행된 이번 연구를 통해 방사선과 나노기술을 융합해 암을 사멸시킬 수 있는 방사선 변환 기술을 증명할 수 있었다. 향후 기초연구 분야에 활용할 수 있을 것으로 기대한다. 또한, 대장암 세포주 외 폐암, 간암 등 다양한 세포주를 이용해 전임상시험을 추진할 계획이다.

□ 이번 연구 성과는 우수성을 인정받아 세계적인 권위지 미국 화학회 'ACS Applied Materials and Interface (JCR 소재 분야 상위 7%)'의 표지 논문으로 선정되어 1월 18일에 게재됐다.

   ※ 논문명: Theranostics through Utilizing Cherenkov Radiation of Radioisotope Zr-89 with Nanocomposite Combination of TiO₂and MnO₂(방사성동위원소 지르코늄-89의 체렌코프 효과를 이용한 티타늄-망간 나노 복합체의 테라노스틱스 활용)

□ 한국원자력연구원 첨단방사선연구소 정병엽 소장은 “이번 연구 성과는 지르코늄-89에서 방출하는 감마선을 자외선으로 변환하는 데 성공해 방사선 변환 기술을 증명하는 데 성공했다”고 말하며 “기초연구 분야에서의 활용과 향후 연구 분야의 확대를 기대한다.”고 밝혔다.

<사진1-1. 체렌코프 효과를 이용한 암 사멸 나노물질 개발 연구 결과가 미국 화학회 'ACS Applied Materials and Interface'의 표지논문으로 선정되어 1월 18일에 게재됐다.>

  - 논문명 : Theranostics through Utilizing Cherenkov Radiation of Radioisotope Zr-89 with Nanocomposite Combination of TiO₂ and MnO₂

<사진1-2. 지르코늄-89가 도입된 다중구조의 나노물질의 암세포 사멸 기작 모식도>

  - 체렌코프 효과로 나노입자에서 활성산소가 발생해 나노물질 주변 암세포가 사멸된다. 나노물질에서 방출되는 지르코늄-89의 방사선은 투과되어 진단 영상에 쓰인다. 

우측 상단의 큰 나노물질은 구조를 보여주기 위한 확대 그림이다.

<사진2. 지르코늄-89가 도입된 티타늄-망간 나노물질 구조>

  - 약 100 nm 크기의 산화티타늄 나노입자 내부에 지르코늄-89를 도입해 코어를 만들었다.

  - 생체단백질인 트랜스페린으로 코어를 코팅하고, 트랜스페린 외부에 산화망간을 첨가해 암세포 근처에서 활성산소를 발생시키는 나노물질을 개발했다. 

산화티타늄과 산화망간에서 발생한 활성산소는 암세포의 DNA에 손상을 입혀 암세포를 사멸시킨다.

<사진3. 암세포 주 세포실험을 통한 지르코늄-89가 도입된 티타늄-망간 나노물질의 암 사멸 효과>

(A) 티타늄 나노입자, (B) 티타늄-망간 나노입자, (C) 지르코늄-89가 도입된 티타늄-망간 나노입자

- (C) 지르코늄-89가 도입된 티타늄-망간 나노입자에서 암 사멸 효과가 뚜렷하게 나타난다.

<사진4. 마우스 종양 모델을 통한 지르코늄-89가 도입된 티타늄-망간 나노물질의 암 억제 효과>

(A) 티타늄 나노입자, (B) 티타늄-망간 나노입자, (C)지르코늄-89가 도입된 티타늄-망간 나노입자,

-  지르코늄-89가 도입된 티타늄-망간 나노입자를 주입했을 때 사멸 효과로 암이 증식하지 않는다.

<사진5. 한국원자력연구원 박정훈 박사 연구팀이 방사성동위원소 지르코늄-89(Zr-89)에서 발생하는 체렌코프 효과를 이용해 암 사멸 나노물질을 개발하는 데 성공했다.>

(왼쪽부터 최평석 선임연구원, 박정훈 책임연구원)