[엠디데일리] 미래창조과학부는 “급성 심근경색 및 심장마비를 유발하는 고위험 동맥경화반을 조기에 진단할 수 있는 표적 영상 진단기술이 국내 연구진에 의해 개발되었다”고 밝혔다.

김진원 교수는 “이번 연구는 의학, 화학, 기계공학, 광학 등 다학제 연구의 결실이며, 실험용 생쥐, 대형동물(토끼)에까지 성공적으로 실험을 마치고 인체 적용 또한 조기에 이루어질 것으로 전망되어, 심혈관 질환으로 인한 사망률 감소에 기여할 것으로 기대된다“라고 연구의 의의를 설명했다.

[용어해설] ▲고위험 동맥경화반 : 동맥경화반은 동맥혈관 내벽에 지방이나 혈액 내 기타 물질들이 쌓인 덩어리를 말한다. 일반적으로 안정적인 상태로 단시간에 위험한 것은 아니나, 특정 염증세포의 침투로 인해 염증반응이 발생한 고위험 동맥경화반은 심근경색, 심장마비를 일으키는 주 원인이 된다.

김진원 교수(고려대), 박경순 박사(기초과학지원연구원) 등 공동연구팀은 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구) 지원으로 연구를 수행했으며 본 연구 결과는 세계적 권위의 학술지 사이언티픽 리포트(Scientific Reports) 3월 7일자에 게재되었다.

논문명과 저자 정보는 다음과 같다.
△논문명 : Intravascular optical imaging of high-risk plaques in vivo by targeting macrophage mannose receptors
△저자 정보 : 김진원(공동교신저자, 고려의대 교수), 오왕열(공동교신저자, KAIST 교수), 유홍기(공동교신저자, 한양대 조교수), 김지박(공동제1저자, 고려의대 박사과정), 박경순(공동제1저자, 기초과학지원연구원 춘천센터 선임연구원), 류지흔(공동제1저자, 카이스트 박사과정), 이재중(공동제1저자, 고려의대 박사과정)

논문의 주요 내용은 다음과 같다.

■연구 배경
심혈관 질환으로 인한 사망률을 낮추기 위해 최근 관상동맥 내 고위험 동맥경화반을 조기에 정밀 영상 진단하여 개인별 맞춤 치료에 이용하려는 연구가 전 세계적으로 시도되고 있다.
고위험 동맥경화반은 내부 괴사조직*이 크고, 병변을 둘러싼 보호섬유막 조직*이 얇으면서 대식세포의 침투로 인한 염증 반응을 보이는 것이 특징이다. 염증 반응 정도가 심한 경우 보호섬유막 조직이 녹아 파열되면 혈관을 막히게 하여 심근경색과 심장마비를 일으킨다. 하지만 현재 임상에서 이용되고 있는 영상 진단법은 혈관의 좁아진 정도와 동맥경화반의 형태적 변화만 매우 제한적으로 볼 수 있다. 특히 심장마비의 상당수는 협착 정도가 심하지 않은 부위에서도 예기치 않게 발생하므로 현재의 영상기법으로는 조기에 정밀한 예측이 어려운 실정이다.
▲내부 괴사조직 : 동맥경화반 내 염증에 의해 세포 등이 죽은 부분
▲보호섬유막 조직 : 동맥경화반이 안정적으로 유지되도록 둘러싸서 보호하는 얇은 막
▲대식세포 : 면역기능과 염증반응에 관여하는 대표적인 세포로 동맥경화반의 보호막을 녹여 불안정하게 만든다.

연구팀은 이전 선행연구를 통해 인도시아닌그린(ICG)*을 이용한 분자영상과 혈관 내 미세구조를 동시에 볼 수 있는 카테터 융합 영상기술*을 개발한 바 있다. (2016.2.1.보도) 인도시아닌그린은 임상에 바로 적용이 가능한 장점이 있는 반면 동맥경화반의 여러 구성 물질에 비특이적으로 결합하는 심각한 한계점을 가지고 있었다. 이번 연구에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 특정 세포를 정밀 표적하는 영상기술을 개발하였다.
▲인도시아닌그린(ICG) : 인체 내 사용이 허가된 유일한 형광 물질
▲카테터 융합 영상기술 : 연구팀이 독자 개발하여 보유하고 있는 기술로 2016년 2월 유럽심장학회지(European Heart Jounal)에 발표. 심장 혈관 내로 삽입할 수 있는 매우 가는 하나의 도관을 통해 다른 종류의 영상정보를 동시에 획득할 수 있는 새로운 기술

■연구 내용
연구팀은 기존연구와 차별화된 전략으로 대식세포에만 선택적으로 결합하는 근적외선 형광 물질*을 새로이 합성하여 세포 및 소형동물, 인체와 유사한 대형동물 혈관 내 병변까지 정밀영상화 하는데 성공했다.

▲근적외선 형광 물질 : 빛의 스펙트럼 중 650나노미터(nm)-800 영역 대의 파장을 갖는 근적외선 형광물질은 생체 투과력이 좋고 조직에 의한 빛 흡수 및 산란이 적어 생체 내 영상화에 적합하다.
△1단계 : 생체 적합성이 뛰어난 나노물질을 기반으로 대식세포의 만노스 수용체에 표적 결합*하여 근적외선 형광 빛을 내는 영상물질을 합성하였다.

▲만노스 수용체 : 막관통형 세포 내 섭취 수용체임. 성숙한 대식세포에 존재하지만 단핵구에는 발현하지 않음. 병원체 식장용, 세포 내 신호 전달, 염증 감소, 당단백 호르몬 제거 등의 기능을 하는 것으로 알려져 있음.
▲표적 결합 : 특정 세포나 분자에 선택적으로 결합하는 것.

△2단계 : 연구팀이 자체 개발한 소형동물 생체 내 영상기법을 이용하여 0.5mm에 불과한 살아 있는 생쥐 경동맥 안에 대식세포가 침투한 동맥경화반의 고해상도 분자 영상화에 성공하였으며, 영상나노물질이 동맥 경화반의 표적 세포에 특이적으로 결합한다는 것을 확인하였다.

△3단계 : 인체 내 적용을 위해 인체의 심장 혈관과 유사한 대형동물(토끼)의 혈관 내 영상 진단을 시도하였다. 나노영상물질을 안정적으로 대용량 합성하여 투여하고, 연구팀이 독자 개발하여 보유하고 있는 카테터 영상시스템을 새로운 나노영상 물질에 최적화 한 후, 인체 내 관상동맥과 유사한 토끼의 대동맥 동맥경화반의 형태적 변화와 대식세포 표적 영상을 실시간으로 융합 영상화하는데 성공하였다.
▲융합 영상화 : 혈관 내 병변의 미세 구조와 분자영상을 얻을 수 있는 신영상 기법

■연구 성과
새로운 대식세포 표적 나노영상물질을 심혈관 카테터 융합 영상 기술에 성공적으로 결합하여 심장혈관과 유사한 대형동물 혈관 내 표적 영상 실험에 성공하였다. 이에 따라 향후 인체로의 적용은 긍정적으로 예측되며, 고위험 동맥 경화반의 조기 진단을 통해 심혈관 질환 사망률 감소에 크게 기여할 것으로 기대된다.