백선하 서울대병원 신경외과 교수 · 박원철 서울대 융합과학기술대학원 교수 · 임형준 교수 공동 연구팀은 암 온열치료에 유용한 브로마이드-산화철 나노입자를 개발했다고 17일 밝혔다. 이 입자는 기존에 사용되던 산화철 나노입자보다 우수한 치료 효과를 보여, 암 치료 부작용을 최소화하는 ‘자기(magnetic) 온열 치료법’을 가능성을 제시했다.

암 치료에 있어 나노입자를 활용한 자기 온열 치료법은 암세포 주변의 정상세포에 영향을 주지 않고 암세포만 국소적으로 치료하는 것을 목표로 한다. 이를 위해서는 적은 양의 입자로도 충분한 열을 발생시킬 수 있어야 한다.

자성 나노입자의 열 전달은 특정 열 흡수율로 결정되는데, 코발트나 망가니즈 등의 중금속은 높은 열 흡수율을 갖는 자성체이지만 인체에 독성을 유발할 수 있다. 이에 연구팀은 중금속을 대신할 수 있는 산화철 나노입자에 주목했다. 

브롬화칼륨(KBr) 및 PEI, PEG 용매를 이용한 비등방성 각형의 브로마이드-산화철 입자를 합성

연구팀은 산화철 나노입자의 크기 및 모양에 따른 자기 특성(magnetic properties)을 개선하기 위해 브롬화칼륨(KBr)을 이용해 다양한 각을 갖는 입자를 합성했다. 이 때 사용된 용매는 PEI와 PEG로, 다른 유기용매를 사용하는 합성법에 비해 독성이 덜한 특징을 갖는다. 이후 연구팀은 합성된 이 입자들에서 열효율이 증가한다는 사실을 확인했다.

KBr을 합성한 비등방성 각형 브로마이드-산화철 입자의 발열효과

특히 적정량(333.3mM)의 브롬화칼륨을 합성한 입자에서는 약 23℃의 발열효과를 나타냈고, 이는 암세포 치료에 충분한 열이었다. 

암세포와 일반세포에서의 독성 비교 그래프

또한 연구팀은 나노입자의 독성을 확인하기 위해 세포 실험을 시행했는데, 암세포(U87MG-GFP, Fsall-GFP)에 비해 일반 세포(HFB-141103)에서 독성이 덜한 것으로 나타났다. 이 세 가지 세포 모두 나노입자 100μg/ml 농도까지는 독성이 없었다. 

대조군 및 나노입자, 교류자기장, 나노입자+교류자기장군에서 암 세포 성장 관찰 결과

이어 추가로 실시한 교류 자기장 내 암세포 생존 테스트에서 △나노입자(NP) △교류자기장(AMF) △나노입자+교류자기장(NP+AMF) 그룹 중, 나노입자+교류자기장(NP+AMF) 그룹에서 암세포의 성장이 가장 더딘 효과를 보였다. 

백선하 교수는 “이번에 개발된 브로마이드-산화철 나노입자는 온열 암 치료에서 좋은 성능을 보일 것으로 예상된다”며 “전임상 실험에서 좋은 결과를 얻게 되면 임상 적용에 한 걸음 더 나아갈 것”이라고 연구의의를 밝혔다.

박원철 교수는 “브로마이드-산화철 나노입자는 브로마이드 농도에 따라 상이한 광열 변환 효율을 보였고 KBr의 농도가 333.3mM일 때 가장 높은 수치를 보였다”며 “반복된 실험에서도 동일한 성능을 유지한 것을 봤을 때 안정된 나노입자임을 확인했다”고 말했다.

임형준 교수는 “향후 해당 나노입자의 표면에 방사성 동위원소를 포함하는 작용기를 추가 첨가하면 더 좋은 진단 및 치료용 나노입자로 개발할 수 있을 것”이라고 말했다.