2023. 10. 9. 00:27ㆍ혁신/건강
암 치료 기술 동향 - 진단 및 치료를 위한 나노-바이오 소재 개발과 암 치료(therapy)와 진단(diagnostics)을 동시에 하는 치료진단학
암세포 정밀진단과 치료를 한 번에 할 수 있으면 치료효율을 크게 개선할 수 있을 것이다.
또한 암치료에 드는 시간과 비용을 대폭 감소시킬 수 있다. 진단 및 치료 나노-바이오 소재 분야의 세계적인 저널인 Theranostics에 암세포 정밀진단과 치료를 한 번에 할 수 기술을 소개하고 있다. Theranostics 치료진단학은 치료(therapy)와 진단(diagnostics)을 결합한 용어로, 동일한 에이전트(agent)를 이용하여 질병을 탐지하고 치료하는 기술이다.
최근에 나노바이오 소재를 사용하여 암의 진단과 치료를 병행할 수 있는 기술과 이를 적용한 효과에 관한 논문들이 소개되고 있다.
암 세포에 근적외선 파장의 빛을 쪼이면 빛 에너지가 열에너지로 변환되는 광열효과(Photothermal effect)를 일으킨다.
몸속의 암세포를 발견하고, 이 암 세포에 집중적으로 근적외선 파장의 빛을 쪼이면 암치료 효과를 극대화할 수 있다.
광-열-음향(PTA)을 사용하는 기술은 암치료 효과를 극대화 하기위한 기술이다.
단일 원자 탄소나노튜브(SWCNTs)는 대표적인 광-열-음향 종양 치료진단제이다.
단일 원자 탄소나노튜브(SWCNTs)가 근적외선(NIR) 빛을 흡수하고 열과 음파로 변환하는 특성을 활용하기 위하여, 단일 원자 탄소나노튜브를 암세포 인근에 주입하고, 근적외선 파장의 빛을 쪼이면 단일 원자 탄소나노튜브(SWCNTs)가 빛을 흡수하고 열을 발생시킨다. 이 열로 암 세포를 죽일 수 있다. 동시에 음파를 이용하여 초음파 영상으로 감시하면서 치료 효과를 확인할 수 있다.
단일 원자 탄소나노튜브(SWCNTs) 와 다른 나노 물질 비교:
나노물질이란, 일반적으로 1~100 나노미터 (nm) 크기의 물질을 말한다. 나노물질은 그 크기 때문에 매크로 스케일의 물질과는 다른 물리적, 화학적, 광학적, 전기적, 열적 성질을 가지고 있다. 또한 나노물질은 그 형태와 구성에 따라 0차원, 1차원, 2차원, 3차원 등의 차원에 따라 구분할 수 있다.
0차원 나노물질은 점 형태의 입자로, 나노 입자 (nanoparticle), 양자점 (quantum dot), 풀러렌 (fullerene) 등이 있다.
1차원 나노물질은 선 형태의 입자로, 탄소나노튜브 (carbon nanotube), 나노선 (nanowire), 나노로드 (nanorod) 등이 있다.
2차원 나노물질은 면 형태의 입자로, 그래핀 (graphene), 나노시트 (nanosheet), 나노막 (nanofilm) 등이 있다.
3차원 나노물질은 입체 형태의 입자로, 나노구조체 (nanostructure), 나노복합체 (nanocomposite), 나노포러스 (nanoporous) 등이 있다.
단일 원자 탄소나노튜브(SWCNT)는 1차원 나노물질 중에서도 탄소나노튜브의 한 종류이다.
탄소나노튜브는 탄소 원자들이 육각형으로 연결된 그래핀 시트가 원통형으로 말린 구조를 가지고 있다.
탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브 (single-walled carbon nanotube, SWCNT)와 다중벽 탄소나노튜브 (multi-walled carbon nanotube, MWCNT)로 구분할 수 있다. SWCNT는 한 겹의 그래핀 시트로 이루어진 탄소나노튜브이고, MWCNT는 여러 겹의 그래핀 시트로 이루어진 탄소나노튜브이다.
단일 원자 탄소나노튜브(SWCNT)는 다른 나노물질들보다 전기전도성과 열전도성이 매우 높다. SWCNT는 금속성과 반도성을 가지는 것으로 알려져 있으며, 금속성 SWCNT는 전기저항이 거의 없는 것으로 측정되었다.
단일 원자 탄소나노튜브(SWCNT)는 열전도도가 흑연보다 약 100배 높은 것으로 추정되었다. 다른 나노물질들은 SWCNT보다 전기전도성과 열전도성이 낮거나 비슷한 수준이다.
단일 원자 탄소나노튜브(SWCNT)는 기계적 강도가 매우 높다. SWCNT는 탄성계수가 약 1TPa, 인장강도가 약 100GPa로, 강철보다 약 100배 강한 것으로 측정되었다.
단일 원자 탄소나노튜브(SWCNT)는 광학적 성질이 다양하다. SWCNT는 가시광선과 적외선 영역에서 흡수와 발광을 나타낸다. SWCNT의 광학적 성질은 그래핀 시트의 말림 방향과 직경에 따라 달라진다.
단일 원자 탄소나노튜브(SWCNT)는 다른 나노물질들과 생체적합성이 좋아서 생체분자와 결합하거나, 생체막을 투과하거나, 생체조직에 흡수되거나, 생체반응을 유도할 수 있다. 따리서 SWCNT는 약물전달, 바이오센서, 바이오 이미징 등의 의료용도로 활용될 수 있다.
단일 원자 탄소나노튜브(SWCNT)를 이용한 암치료는 기존의 방사선이나 화학 항암제와 달리 정상세포에 영향을 주지 않고 암세포만 선택적으로 죽일 수 있다. 따라서 부작용을 최소화하고 치료 효과를 극대화할 수 있다.
또한 단일 원자 탄소나노튜브(SWCNT)는 고전도성, 고열전도성, 고강도, 고비표면적 등의 독특한 물리화학적 성질을 가지고 있어서 전자, 센서, 에너지 저장, 나노의학 등 다양한 분야에 적용할 수 있다. 또한 다른 나노물질들보다 더 높은 열 및 음향 효율성, 낮은 독성, 높은 안정성을 가지고 있다. 예를 들어, 금 나노입자나 양자점은 단일 원자 탄소나노튜브(SWCNT)보다 낮은 열 및 음향 효율성을 가지며, 독성이 높거나 안정성이 낮다.
Akhil Jain은 암세포를 탐지하는 무선 나노 nano-electrochemical 도구에 대한 연구결과를 소개하고 있다. Wireless electrical–molecular quantum signaling for cancer cell apoptosis (Akhil Jain dhl 2023 - nature nanotechnology)는 Quantum biological tunnelling을 이용하여 암세포를 탐지하는 무선 nano-electrochemical 도구를 소개하고 있다.
생명연 이창수 박사와 경희대 이상천교수/이경 박사과정생 팀은 형광 신호와 자기 신호를 통해 정밀진단을 할 수 있고, 근적외선 파장의 빛을 통해 광열 치료까지도 모두 가능한 테라그노시스 나노 복합체에 대하여 발표하였다. 이 팀은 MnCO3-mineralized polydopamine 나노 복합체를 사용하여 형광 신호와 자기 신호를 통해 정밀진단을 할 수 있고, 근적외선 파장의 빛을 통해 광열 치료까지도 모두 가능함을 보고하였다.
체내 신경전달물질인 도파민을 기반으로 형광물질을 새롭게 만들고, 여기에 망간염을 결합해 자기적 성질을 갖게 하고, FMRI를 사용하여 암세포의 위치를 탐지한 후, 하고, 이렇게 발견한 암세포 부위에 근적외선을 쪼이면 빛 에너지를 받은 나노 복합체가 열에너지를 방출하며 고형암을 태우며 암세포의 성장을 억제하고 나아가 사멸까지도 유발했다.
Golubewa 팀은 Single-walled 탄소나노튜브(SWCNTs)를 사용하여 photo-thermo-acoustic cancer theragnostic agent 가 가능할 것을 이론적으로 기술하고, 실험을 통하여 입증하고 하였다고 보고하였다. Single-walled 탄소나노튜브(SWCNTs)는 직경이 0.5–2.0 nanometers로 사람 머리카락의 10만분의 1보다 작다. SWCNT를 이용한 암치료란, 단일벽 탄소나노튜브 (SWCNT)라는 나노물질을 광-열-음향 종양 치료진단제로 사용함으로써 암세포를 파괴하고 초음파 영상으로 감지할 수 있음을 보고하였다.
단일 원자 탄소나노튜브(SWCNT) 를 이용한 암치료에도 아직 넘어야 할 문제점이 있다.
NIR 레이저 조사의 최적 용량, 지속시간, 빈도 등을 정밀하게 조절할 수 있어야 한다. 과도하거나 부적절한 NIR 레이저 조사는 정상조직에 과열이나 손상을 일으킬 수 있기 때문이다.
또한 단일 원자 탄소나노튜브(SWCNT) 의 생체내 분포, 제거, 장기적 영향 등에 대한 연구하고, 안전성과 효능을 보장할 수 있어야 한다.
단일 원자 탄소나노튜브(SWCNT)를 암세포에 특이적으로 결합시키기 위해서는 항체나 다른 분자들을 첨가해야 하므로 이 결합제들의 선택성, 효율성, 안정성 등에 대한 검증이 필요하다.
나노기술을 의학에 적용하는 것에 대한 윤리적, 사회적, 규제적 문제들에 연구도 병행되어야 한다. 나노물질의 장기적 영향이 없을 것 그리고 나노물질의 환경오염이나 건강위해에 대한 연구도 이루어져야 힐 것이다.
이러한 연구를 통하여 단일 원자 탄소나노튜브(SWCNT)를 사용한 광-열-음향 종양 치료진단제적합성과 안정성을 입증해야 할 것이다.
1 MnCO3-mineralized polydopamine nanoparticles as an activatable theranostic agent for dual-modality imaging-guided photothermal therapy of cancers/교신저자: 생명연 이창수 박사·경희대 이상천 교수/제1저자: 이경관 박사과정생)
2. Wireless electrical–molecular quantum signalling for cancer cell apoptosis Akhil Jain dhl 2023 - nature nanotechnology
Quantum biological tunnelling for electron transfer is involved in
controlling essential functions for life such as cellular respiration and
homoeostasis. Understanding and controlling the quantum effects in
biology has the potential to modulate biological functions. Here we merge wireless nano-electrochemical tools with cancer cells for control over electron transfer to trigger cancer cell death. Gold bipolar nanoelectrodes functionalized with redox-active cytochrome c and a redox mediator zinc porphyrin are developed as electric-feld-stimulating bio-actuators, termed bio-nanoantennae. We show that a remote electrical input regulates electron transport between these redox molecules, which results in quantum biological tunnelling for electron transfer to trigger apoptosis in patient-derived cancer cells in a selective manner. Transcriptomics data show that the electric-field-induced bio-nanoantenna targets the cancer cells in a unique manner, representing electrically induced control of molecular signalling. The work shows the potential of quantum-based medical diagnostics and treatments.
3. Single-walled carbon nanotubes as a photo-thermo-acoustic cancer theranostic agent: theory and proof of the concept experiment L. Golubewa - nature지 scientific reports 2020
Single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) are a type of nanomaterial that consist of a single layer of carbon atoms arranged in a cylindrical shape. They have unique physical and chemical properties, such as high electrical and thermal conductivity, high mechanical strength, and high surface area. These properties make them attractive for various applications, such as electronics, sensors, energy storage, and nanomedicine123.
One of the potential applications of SWCNTs is as a photo-thermo-acoustic cancer theranostic agent. Theranostics is a term that combines therapy and diagnostics, meaning that the same agent can be used to both detect and treat a disease. Photo-thermo-acoustic (PTA) is a technique that uses light and sound to achieve this goal. The basic principle is that SWCNTs can absorb near-infrared (NIR) light and convert it into heat and acoustic waves. The heat can kill the cancer cells, while the acoustic waves can be detected by ultrasound imaging456.
To use SWCNTs as a PTA cancer theranostic agent, they need to be modified to target specific cancer cells and avoid harming normal cells. This can be done by attaching antibodies or other molecules that recognize certain receptors on the surface of cancer cells. Once the SWCNTs bind to the cancer cells, they can be activated by an external NIR laser source. The laser will induce a rapid temperature rise in the SWCNTs, which will generate thermal and acoustic signals. The thermal signal will cause irreversible damage to the cancer cells, while the acoustic signal will provide contrast for ultrasound imaging. This way, the SWCNTs can simultaneously destroy and visualize the cancer cells456.
SWCNTs as a PTA cancer theranostic agent have several advantages over conventional methods, such as chemotherapy, radiotherapy, or surgery. They are minimally invasive, highly selective, biocompatible, and cost-effective. They can also overcome some of the limitations of other nanomaterials, such as gold nanoparticles or quantum dots, which have lower thermal and acoustic efficiency, higher toxicity, or lower stability456.
However, there are also some challenges and risks associated with SWCNTs as a PTA cancer theranostic agent. For example, the optimal dose, duration, and frequency of NIR laser irradiation need to be carefully controlled to avoid overheating or damaging normal tissues. The biodistribution, clearance, and long-term effects of SWCNTs in the body need to be further studied to ensure their safety and efficacy. The ethical, social, and regulatory issues related to the use of nanotechnology in medicine need to be addressed as well456.
In summary, SWCNTs are a promising nanomaterial that can be used as a photo-thermo-acoustic cancer theranostic agent. They can absorb NIR light and generate heat and sound, which can be used to kill and image cancer cells. They have many advantages over conventional methods, but also face some challenges and risks that need to be overcome before they can be widely applied in clinical practice.
