‘중성자 포획치료(NCT. Neutron Capture Theory)’는 정상 세포의 손상을 최소화하고 암세포만 선택적으로 사멸시키는 차세대 암 치료기술이다. 미국과 일본, 유럽을 중심으로 활발하게 연구를 진행하고 있다. 그동안 NCT에는 중성자를 잘 흡수하는 보론(B, 붕소) 화합물이 주로 사용됐다. 국내 한 연구진이 보론 대신 가돌리늄(Gd)을 이용한 중성자 포획치료 기술 개발에 나섰다. 주인공은 경북대학교 ‘중성자 포획 치료용 가돌리늄 나노구조체 기초연구실(연구책임자 장용민 교수. 이하 경북대 NCT 기초연구실)’이다. 경북대 NCT 기초연구실을 찾아 현재 연구 상황과 앞으로의 계획을 들었다.

항암 치료의 가장 큰 문제는 부작용이다. 암세포뿐만 아니라 정상 세포까지 손상을 입히기 때문이다. 중성자 포획치료는 이 같은 문제를 해결하기 위해 도입됐다.

중성자 포획치료는 우선 중성자를 잘 흡수하는 보론(B) 화합물을 암세포에 주입한다. 보론 화합물은 정상 세포에는 모이지 않고 암세포에만 모이는 성질을 갖고 있다. 여기에 중성자를 비추어 쏘면 보론이 축적된 암세포에서 알파(α) 입자를 발생시키고, 여기서 나온 방사선과 전자빔이 암세포를 선택적으로 파괴한다. 이 같은 특성 때문에 중성자 포획치료는 치료가 까다로운 뇌종양, 두경부암, 악성 피부암 등에 효과적이다.

가돌리늄 이용 ‘중성자 포획치료’에 도전장

보론을 이용한 중성자 포획치료(BNCT, Neutron capture therapy of cancer)는 기존에 있던 방법이다. 경북대 NCT 기초연구실은 보론 대신 가돌리늄(Gd)을 이용한 중성자 포획치료(GdNCT) 연구에 주목한다. MRI(자기공명영상) 조영제나 X-선과 PET(양전자 단층촬영) 장치의 영상 재료 등을 연구하면서 가돌리늄의 ‘우수성’을 확인했기 때문이다. 경북대 NCT 기초연구실 연구책임자인 장용민 교수(경북대학교 의과대학 분자의학교실)는 중성자 포획치료(GdNCT)에 착수한 계기를 이렇게 설명했다.

“가돌리늄은 반도체 등 첨단 분야에서 중요하게 사용되는 희토류의 원소입니다. 제가 맡은 분야가 MRI나 X-선, PET 등 영상의학인데요. 가돌리늄을 조영제로 사용하면 암세포가 있는 부위가 더 밝게 나타난다는 사실을 알게 됐습니다. 기본적으로 암세포의 위치를 정확히 파악할 수 있는 장점을 가진 것이죠. 그렇다면 이러한 가돌리늄의 특성을 중성자 포획치료에 적용하면 치료 효과를 더 높일 수 있지 않을까 하는 의문에서 연구를 시작하게 됐습니다.”

실제 가돌리늄은 동위원소 가운데 중성자 흡수율이 가장 높다. 보론을 중성자 포획치료에서 사용하는 이유는 중성자 흡수율이 좋게 때문이다. 가돌리늄은 이 보론에 비해 자연존재량은 비슷하지만, 중성자 흡수율이 60~70배에 달한다. 중성자 포획치료에 똑같이 적용할 수 있다면 60~70배의 암 치료 효과를 낼 수 있다는 계산이 나온다. 게다가 보론을 이용한 중성자 포획치료(BNCT)는 치료만 가능하지만, 가돌리늄을 이용한 중성자 포획치료(GdNCT)는 진단과 치료가 동시에 가능하다는 장점도 있다.

가돌리늄을 이용한 중성자 포획치료(GdNCT) 연구는 초기 단계이다. 지금까지 20건 정도의 이론적·실험적 연구가 진행되고 이 가운데 2건 정도가 동물실험으로 이어졌지만, 모두 MRI 조영제에 사용되는 가돌리늄 화합물을 사용했다. 암 조직에 대한 가돌리늄의 ‘적중(targeting)’ 능력을 높이는 새로운 가돌리늄 나노구조체를 합성하고, 이를 통해 중성자 포획치료와 약물치료가 동시에 가능한 ‘다중복합 가돌리늄을 이용한 중성자 포획치료(GdNCT)’ 연구는 경북대 NCT 기초연구실이 처음이다.

경북대 NCT 기초연구실은 지난 2013년 미래창조과학부와 한국연구재단에서 시행하는 기초연구실 지원 사업에 선정됐다. 이 사업은 특정 연구 주제를 중심으로 융·복합 연구 활성화에 기반이 되는 소규모 연구그룹을 육성·지원한다. 연구 내용의 질적 수준과 창의성·도전성에 초점을 맞춰 실질적인 공동연구 수행 가능성을 중점적으로 평가한다.

“평가위원들이 기존의 중성자 포획치료를 뛰어넘는 기술에 도전한다는 점에서 높은 평가를 한 것 같습니다. 또 암 진단과 암 치료를 동시에 수행할 수 있고, 방사선치료와 약물치료를 병합할 수 있는 새로운 ‘다중복합 가돌리늄을 이용한 중성자 포획치료(GdNCT)’ 개념을 제시했다는 점도 높은 평가를 받았고요. 당초 제시했던 연구과제와 목표에 성공한다면 암 치료의 새로운 패러다임을 제시할 수 있다고 자신합니다. 설사 목표를 100% 달성하지 못한다고 하더라도 연구 과정에서 도출한 여러 결과물이 새로운 연구와 암 치료 기술의 기반이 될 수 있다고 봅니다.”

경북대 NCT 기초연구실은 연구책임자를 맡은 장용민 교수(의용생체물리학)를 비롯해 유정수 교수(방사화학), 이강호 교수(나노화학), 채권석 교수(나노독성학) 등으로 구성된 다(多)학제 바이오 융합 연구팀이다. 응용화학과 의공학을 전공하는 30여 명의 석·박사 대학원생들도 참여해 연구와 실험을 수행하고 있다.

동물 임상실험 준비…‘최종 목표는 상용화’

이들은 현재 지원 사업의 3년 차 연구를 진행 중이다. 1단계라고 할 수 있는 지난 3년 동안 연구실은 새로운 가돌리늄 나노구조체 합성물을 개발하는데 주력했다. 또 한국원자력의학원의 암 진단용 가속기의 일종인 사이클로트론(cyclotron)을 이용해 이 가돌리늄 합성물이 세포 수준에서 어떤 효능을 발휘하는지 비교실험도 수행하고 있다. 지원 사업 2단계인 4~5년 차에는 동물 임상시험 등을 통해 가돌리늄 합성물이 암 조직에 얼마나 효과적으로 반응하고, 중성자를 조사했을 때 암 조직에 어떤 영향을 미치는지를 연구할 계획이다.

보론이나 가돌리늄을 활용한 NCT 연구와 임상에서는 중성자를 안정적으로 공급할 수 있는 의료용 가속기가 필수적이다. 일본의 NCT 기술이 상대적으로 앞선 이유는 가속기 시설이 충분하기 때문이다. 최근 국내 연구기관과 대학, 병원에서도 의료용 가속기에 관한 관심을 많이 기울이고 있지만, 수요를 충족하기에는 여전히 부족한 실정이다. 경북대 NCT 기초연구실 역시 안정적인 중성자 확보와 실험을 위해 여러 곳의 문을 두드려야 했다. 동물실험을 수행하는 2단계 연구에서는 안정적인 중성자 확보가 더욱 절실하다. 이를 위해 원자력의학원은 물론 일본과의 협력도 확대한다는 복안이다.

“주어진 여건 내에서 당초 목표로 했던 연구 결과를 도출하기 위해 최선을 다해야죠. 저희가 수행하는 연구가 생명과 국민보건의료와 직결되어 있다는 생각을 하면 더 큰 책임감을 느낍니다. 암 진단과 치료에서 가장 중요한 것은 암이 어느 곳으로 어떻게 전이되는지를 파악하고 막는 겁니다. 이러기 위해서는 전신을 전부 스캔해야 하는데 이 과정에서 정상 세포까지 파괴하기 때문에 쉽지 않죠. 가돌리늄을 이용한 중성자 포획치료(GdNCT)가 상용화되면 이런 문제를 어느 정도 해결할 수 있다고 보고요. 이런 점이 저희가 수행하고 있는 연구가 미래의 우리 사회와 국민에게 주는 의미라고 생각합니다.”

이것은 장용민 교수를 비롯한 경북대 NCT 기초연구실 관계자들의 연구 철학과도 맞닿아 있다. 장용민 교수는 연구실 대학원생들에게 수시로 ‘국민에게 실질적으로 도움을 줄 수 있는 연구를 하자’고 강조한다. 국민이 내는 세금으로 연구를 수행하고 있는 만큼 이 빚을 갚기 위해서는 연구 결과를 국민에게 돌려줘야 한다는 것이다. 그래서 당장은 힘들어도 때로는 영화 속 세상을 꿈꾸기도 한다.

“엘리시움이라는 영화를 본 적이 있어요. 상처를 입거나 병이 들어 생사의 기로에 있는 사람이 MRI 장치 같은 캡슐에 누우면 이 장치가 알아서 진단과 치료를 동시에 수행하는 장면이 나옵니다. 영화를 보면서 저 장치가 실제로 나오게 된다면 지금 저희가 연구하고 있는 가돌리늄을 이용한 중성자 포획치료(GdNCT) 기술을 기반으로 할 수도 있겠구나, 그런 상상을 했습니다.”

경북대 NCT 기초연구실의 최종 목표는 당연히 연구 결과의 상용화. 영화 속 장면은 먼 미래의 이야기지만, 암 진단과 치료를 동시에 수행할 수 있는 장비를 개발해 현재 주로 사용하고 있는 MRI, PET 장치의 한계를 뛰어넘겠다는 것이다. 기초연구는 국민의 삶과 생활에 직결된다. 경북대 NCT 기초연구실은 그것을 실천으로 입증하고 있다.

[원본, 출처] : http://webzine.nrf.re.kr/nrf_1608/?chapter=1&sub=1