DGIST 전기전자컴퓨터공학과 장진호 교수(우측) 연구팀이 고성능 광열 치료 기술을 시연하고 있다 *재판매 및 DB 금지

<이미지를 클릭하시면 크게 보실 수 있습니다>

[대구=뉴시스] 박준 기자 = 대구과학기술원(DGIST) 전기전자컴퓨터공학과 장진호 교수팀은 기존 광열 치료 기술의 성능을 획기적으로 향상시킨 울트라 광열 치료(Ultrasound-assisted photothermal therapy·ULTRA-PTT) 기술을 개발했다고 17일 밝혔다.

이 기술은 연구팀의 원천기술인 초음파 조직 투명화 기술을 기반으로 GIST 고등광기술연구소 김혜민 선임연구원과 공동연구를 통해 개발했다.

빛을 이용한 광 치료 기술은 선택적으로 원하는 병변을 개선하거나 파괴할 수 있어 피부 타이트닝(skin tightening), 레이저 문신 제거(laser tattoo removal), 레이저 암 치료(laser cancer therapy) 등을 위해 임상에서 활발하게 사용되고 있다.

하지만 빛이 생체조직 내로 진행하면서 발생하는 광 산란(optical scattering)으로 인해 광 경로의 왜곡 발생으로 빛이 침투할 수 있는 깊이가 제한된다. 이로 인해 빛을 이용한 치료에도 깊이의 제한이 생기는 원천적인 문제가 존재한다.

빛의 침투 깊이는 레이저 파장에 비례하기 때문에 임상에서는 근적외선(800~1000㎚) 대역의 레이저로 광 침투 깊이를 증가시켜 치료를 위해 활용하고 있다.

그러나 신체 치료를 위해 조사한 근적외선 대역의 레이저는 물과 같은 수분이 많은 물질에 에너지 흡수율이 높다.

인체는 약 60%가 물로 구성돼 있어 표피 등에 에너지가 다량 흡수될 수 있으며 이는 화상과 같은 부작용을 유발할 수 있다.

또한 각 질병 치료에 최적화된 파장을 이용할 수 없기에 치료 횟수가 늘어나고 비용이 증가하는 문제가 존재한다.

이를 해결하기 위해 많은 연구자들이 다양한 연구를 수행하고 있으나 대부분 병변에 모여 근적외선 파장의 레이저를 잘 흡수하는 고성능 광열제(photothermal agent) 개발에 집중하고 있으며 상대적으로 광 산란 자체를 줄이는 방법에 관한 연구는 미미하게 진행되고 있다.

이에 장 교수팀은 광 산란 자체를 줄이는 방안을 마련하고자 2017년부터 초음파에 의해 생체조직 내에 생성되는 공기방울을 이용해 광 투과 깊이 한계를 효과적으로 극복하기 위한 연구를 지속적으로 수행했다.

그 결과 초음파에 의해 일시적으로 만들어진 공기방울 층을 활용해 광 산란을 최소화할 수 있는 초음파 조직 투명화 기술을 개발했다.

이 기술을 공초점 형광 현미경에 적용해 기존 대비 6배 이상의 영상 깊이를 확보할 수 있음을 확인하고 2022년 네이처 포토닉스(Nature Photonics) 저널에 논문으로 발표했다.

또 후속 연구를 통해 초음파 조직 투명화 기술을 광열 치료에 적용한 이른바 울트라 광열 치료(Ultrasound-assisted photothermal therapy, ULTRA-PTT’) 기술을 개발하고 이를 기반으로 의료용 기구인 핸드피스를 제작했다.

ULTRA-PTT 핸드피스는 상용화를 고려해 사용자가 쉽게 잡을 수 있는 본체, 초음파를 조사해 조직 내 공기 방울 생성 및 유지하는 초음파 생성부, 도넛 모양으로 본체에 부착돼 가운데 구멍을 통해 치료 부위에 빛을 전달하는 레이저 조사부, 초음파를 생체조직에 전달하는 매질이 포함된 하우징부 등 4가지로 구성돼 있다.

장 교수팀은 해당 기술의 치료 효과 우수성 검증을 위해 피부암의 일종인 흑생종이 배양된 쥐 모델을 대상으로 ULTRA-PTT 핸드피스를 활용해 약 8일간 임상 적용 가능성을 평가했다.

기존 광열 치료의 경우 이틀까지는 암의 부피가 감소하지만 이후 암이 재성장해서 치료 효과가 낮았다.

하지만 ULTRA-PTT 핸드피스를 활용한 치료에서는 암의 부피가 지속적으로 줄어들었고 8일 후 완전히 소멸함을 확인했다.

이와 함께 조직학 분석을 통해 초음파 에너지에 의해 생성된 공기 방울이 생체조직에 손상을 주지 않으며 공기 방울 생성 전의 조직 특성으로 돌아감을 확인해 인체에 무해함을 입증했다.

장 교수는 "이번 연구를 통해 연구팀이 개발했던 초음파 조직 투명화 기술을 광 치료기기에 응용하고 확대할 수 있었다"며 "이번에 개발한 ULTRA-PTT 핸드피스는 동물 실험을 통해 뛰어난 치료 성능을 보이고 조직학 분석으로 안전성과 효과성을 입증해 국내 개발 원천기술의 상용화 가능성을 보여주는 우수한 사례가 될 것으로 기대한다"고 밝혔다.

한편 이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업의 지원으로 수행됐으며 연구결과는 광학 분야의 저명 국제 학술지 중 하나인 어드밴스드 옵티컬 머티어리얼즈(Advanced Optical Materials)에 게재됐다.

☞공감언론 뉴시스 june@newsis.com

▶ 네이버에서 뉴시스 구독하기
▶ K-Artprice, 유명 미술작품 가격 공개