‘부작용’ 위험성 갖고 있는 조영제 없이 치매 원인 물질 모니터링

테라헤르츠파 기술과 메타물질을 결합한 초고감도 영상기술 개발

향후 다양한 극미량 질병 원인 물질 진단 기술 응용 기대

교신저자_KIST 서민아 책임연구원(왼)과 제 1저자_KIST 이상훈 박사(우)

국내 연구진이 조영제 없이도 생체 내부를 촬영한 영상을 통해 질병을 모니터링 할 수 있는 기술을 개발했다. PET, CT, 형광현미경 등을 이용해 생체 내부를 촬영하기 위해서는 촬영 대상이 잘 보이도록 하는 조영제 사용이 필수적이다. 하지만 조영제는 연관검색어가 ‘부작용’일 정도로 위험성을 갖고 있으며, 몸 속에서 생체 조직과 반응하여 조직을 변형시켜 어떠한 증상을 일으킬지 모른다는 문제가 있었다.

한국과학기술연구원(KIST)은 센서시스템연구센터 서민아 박사 연구팀이 테라헤르츠(THz, 1012Hz) 전자기파를 이용하여, 조영제 없이도 생체 내에 미량만 존재하는 물질을 검출할 수 있는 새로운 방식의 이미징 기술을 개발했다고 밝혔다. 연구팀은 이 기술을 이용하여 치매 원인 물질로 알려진 ‘아밀로이드 플라크’ 단백질을 모니터링할 수 있었다.

전자기파 파장별 스펙트럼과 테라헤르츠 정의

테라헤르츠 전자기파는 1초에 10의 12제곱 만큼 진동하는 주파수를 가진 전자파. 의료와 보안, 환경, 산업계 등 다양한 분야에서 응용이 가능하다. 아밀로이드 플라크 (Amyloid β plaque)는 아밀로이드 전구단백질 (APP, amyloid precursor protein)이 뇌에서 분해되는 과정에서 발생하는 펩타이드. 알츠하이머병 등의 퇴행성 뇌질환의 원인으로 지목되고 있으며, 이러한 질병 진단을 위한 바이오마커로서 연구되고 있다.

테라헤르츠 전자기파는 X-ray나 방사선처럼 고에너지를 갖고 있지 않아 생체조직을 변형시키지 않을 수 있는 장점이 있으며, 별도의 조영제 없이도 생체 내부를 관찰할 수 있어 안전한 차세대 이미징 기술에 응용할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 하지만, X-ray나 가시광선보다 파장이 길기 때문에 매우 작거나 극미량의 물질은 관찰하는데는 어려움이 있었다. 또한, 테라헤르츠파는 생체 내 수분에 흡수되어 사라지기 때문에 관찰한 정보를 수집할 수 없다는 어려움도 있었다.

메타물질을 이용한 고민감도 비표지 테라헤르츠 생체 이미징 기술 모식도

KIST 연구팀은 자연계에 존재하지 않는 성질을 인위적으로 만들어낸 인공물질인 메타물질을 개발하여 위와 같은 어려움들을 극복해냈다. 메타물질을 활용하여 대상 물질의 광학적 특성을 바꾸면 특정 파장에서 금속을 플라스틱처럼 보이게 할 수도 있고, 눈에 보이지 않도록 할 수도 있다. 서민아 박사팀은 테라헤르츠파의 민감도를 높이고, 생체 내부의 물과 만나 흡수되지 않도록 수분과 만날경우 그 경계면에서 반사되어 돌아오도록 하는 새로운 메타물질을 설계, 개발했다. 그 결과, 기존 테라헤르츠파 기술로 영상화가 어려운 극미량의 생체 조직의 선명한 영상을 촬영하였다. 형광물질이나 방사성동위원소와 같은 조영제를 사용하지 않고도 기존 영상장치와 유사한 수준의 영상을 얻을 수 있게 된 것이다.

연구진은 이 기술을 활용하여 뇌 속에 극미량만 존재하고, 치매의 원인 물질로 알려진 ‘아밀로이드 플라크’ 단백질을 관찰하였다. 기존의 영상 진단 방법에서는 영상의 명암 차이를 통한 상대적인 비교만 할 수 있었으나, 테라헤르츠파는 분자들의 상태에 민감하기 때문에 아밀로이드 단백질이 축적된 양까지도 정량적으로 분석할 수 있었다.

KIST 서민아 박사는 “인체 내 다양한 질병 원인 물질을 조영제 없이 직접 검출함으로써, 치매뿐만 아니라 다양한 질병 진단 기술 개발에 적용할 수 있을 것으로 전망한다.”라며 “예를 들어 인체 내 암조직 등을 조영제 없이 선명한 경계면을 확인하는 영상기술로도 활용할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

테라헤르츠 메타물질을 이용한 생쥐모델의 뇌에서 노화에 따른 아밀로이드 플라크 응집 정도 모니터링(좌) 메타물질을 이용한 정상(wildtype, 왼쪽)과 치매모델(APP/PS1, 오른쪽) 쥐 뇌의 비표지 테라헤르츠 이미지, 정상보다 치매 모델 쥐 뇌에서 월령에 따라 아밀로이드 플라크 양이 증가함을 확인할 수 있음

이 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업 및 한국연구재단 중견연구자지원사업, 글로벌프론티어사업을 통해 수행되었으며, 연구결과는 분석화학 분야 국제학술지인 ‘Biosensors and Bioelectronics’ (IF:10.257, JCR 분야 상위 0.581%) 최신호에 게재되었다. 논문명은 Label-free brain tissue imaging using large-area terahertz metamaterials이며 1저자는 국과학기술연구원 이상훈 박사후연구원, 저자) 한국과학기술연구원 서민아 책임연구원이다.