수술 중 장시간 형광유지 근적외선 염료(ICG) 신소재 개발

화학硏, 박영일·남상환 박사팀, 조지아공대 박성진교수팀 공동

기존 FDA 승인 ICG 광안정성 대비 4배 우수

KR-NIR-P 세포 생존율 90%…국제학술지 표지논문

[대전=뉴시스] 화학연구원이 만든 근적외선 고분자(KR-NIR-P)의 화학구조 및 광안정성 개선 효과.(사진=화학연구원 제공) *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 국내 연구진이 수술 중 형광이 빠르게 사라지는 기존 근적외선 형광염료의 한계를 극복한 차세대 형광소재를 개발해 장시간 수술에서 의료정확도가 크게 높아지게 됐다.

한국화학연구원은 박영일·남상환 박사팀이 미국 조지아공대 박성진 교수팀과 공동으로 근적외선 형광염료 '인도시아닌 그린(ICG)'을 고분자 구조로 재설계해 광안정성을 크게 높인 형광체 'KR-NIR-P'를 개발했다고 16일 밝혔다.

근적외선 의료영상은 가시광선보다 인체조직을 깊이 통과하는 특성을 이용해 암이나 림프절, 혈관 등을 실시간으로 확인하는 기술이다.

현재 전 세계에서 미국 식품의약국(FDA) 승인을 받은 근적외선 형광염료는 ICG가 유일하며 유방암 림프절 추적과 간암 절제, 담관 시각화 등 다양한 수술에 활용되고 있다.

하지만 기존 ICG는 강한 빛을 받으면 형광이 급격히 약해지는 '광 표백' 현상 때문에 장시간 수술에서는 반복 투여가 필요하고 영상 정확도가 떨어지는 한계가 있었다.

연구팀은 ICG 분자를 고분자 사슬에 연결, 형광 발생부위를 양쪽에서 잡고 고정시켜 오래 지속되도록 하는 새로운 합성 전략으로 이 문제를 해결했다.

고분자 구조가 형광을 내는 발색단 주변으로 산소가 접근하는 것을 막고 분자 구조를 안정적으로 유지해 같은 빛에서도 형광이 훨씬 오래 지속되도록 설계했으며 분자 간 과도한 응집도 억제해 광 표백은 더욱 줄였다.

성능 평가 결과, 785나노미터(㎚) 근적외선 레이저를 지속적으로 조사했을 때 기존 ICG는 50초 만에 형광이 초기의 40% 수준까지 감소했지만 KR-NIR-P는 200초가 지난 뒤에도 66%를 유지해 광안정성이 4배 이상 향상된 것으로 나타났다.

또 자궁경부암과 구강 편평암 세포를 비롯한 암세포와 정상세포에서 20마이크로몰 농도까지 세포 생존율 90% 이상을 유지했고 세포사멸 관련 단백질 변화도 기존 ICG와 큰 차이가 없어 독성도 낮은 것으로 분석됐다.

실제 종양과 유사한 3차원 종양 스페로이드 실험에서는 형광체가 깊은 조직까지 균일하게 침투했고 마우스 실험에서는 주사 2시간 후 림프절에서 형광이 검출된 데 이어 24시간 후에는 강하게 축적돼 암 전이 경로를 실시간으로 추적할 수 있는 가능성도 입증했다.

연구팀은 앞으로 독성평가와 약동학연구 등 임상 전 연구를 통해 안전성과 유효성을 추가 검증할 계획이다.

박영일 박사는 "ICG를 고분자화해 형광을 내는 발색단이 빛에 의해 파괴되는 속도를 늦춘 것이 이번 연구의 핵심 성과"라며 "장시간 형광 유지가 필요한 의료영상 분야에 새로운 가능성을 제시했다"고 말했다.

이번 연구성과는 나노·마이크로 소재 분야 국제학술지 '스몰(Small)' 6월호 표지논문으로 게재됐다.

신석민 화학연구원장은 "이번 고분자화 전략은 ICG뿐 아니라 다양한 형광염료에도 적용할 수 있어 차세대 의료영상 소재는 물론 위조방지와 보안분야 등으로도 활용 범위가 확대될 것"이라고 기대했다.


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