방사선의학 웹진

  2023년 노벨 물리학상 수상자가 발표되었다. 작년과 마찬가지로 올해도 3명의 물리학자가 동시 수상의 영애를 안게 되었다. 앤 륄리에, 페렌츠 크라우스, 피에르 아고스티니를 올해 노벨물리학상 수상자로 선정한 스웨덴 왕립과학원 노벨위원회는 전자동역학 연구에 활용될 수 있는 아토초(100경분의 1초) 단위의 빛의 파동을 발생시키는 방법을 고안해 원자와 분자 내부에서 벌어지는 일을 관찰할 수 있는 새로운 방법을 제시한 공로를 선정 이유로 밝혔다. 필자가 2023년 노벨 물리학상 수상자 관련 내용을 접했던 동아사이언스 기사에는 벌새 움직임 포착 원리에 비유하여 일반인들이 비교적 이해하기 쉽게 설명해 놓았으니 관심 있으신 분들은 해당 기사를 참고해 보시면 좋을 거 같다.¹⁾

< 2023년 노벨물리학상 수상자 3인, 왼쪽부터 앤 륄리에, 페렌츠 크라우스, 피에르 아고스티니²⁾,

아토초 펄스 실험 예시³⁾>

  동아사이언스 기사에서 필자의 눈길을 끈 부분은, 아토초 파동을 활용하면 X선이 DNA를 손상시키는 아주 짧은 순간까지 관찰할 수 있다는 내용이었다. X선이 DNA 이중나선을 직·간접적으로 파괴하는 것을 이용해 암 치료에 활용되기에 이 과정을 관찰할 수 있게 된다는 것은 방사선이 인체에 미치는 영향을 더욱 깊게 이해하여 인류가 암 정복으로 가는 방향을 명확하게 제시할 것으로 기대한다.

  X선은 오랫동안 산업계, 연구계 보건의료계 등 여러 분야에서 강력한 ‘눈’이 되어주었다. 이번 노벨 물리학상 기술로 꼽힌 아토초 펄스가 인류에게 또 다른 ‘눈’이 되어줄 수 있길 바라며 이번 호에서는 방사선 정밀의료의 ‘눈’ 역할을 해주는 영상 바이오마커에 대해 알아보자.

  암의 유전적 정보를 분석하기 위해서 기존에는 환자의 종양에서 직접 조직을 떼어내 조사하는 ‘생검법’이 널리 사용되었으나 기술의 발달로 비침습적으로 암을 진단하는 방법들이 임상에서도 많이 활용되고 있다. 대표적으로 CT, MRI, PET/CT 등과 같은 의료영상기기로 바이오마커를 찾아내 암 진단, 관찰 및 치료에 활용하고 있으며 이때 활용되는 바이오마커를 영상 바이오마커(Imaging biomarker)라고 한다.

  앞서 51화에서 바이오마커에 대해 자세히 다뤘지만, 바이오마커(Biomarker)는 ‘정상적인 생물학적 과정, 병적인 과정 또는 치료반응을 나타내며, 객관적으로 측정할 수 있는 특성’으로 정의된다. 혈압이나 소변의 pH와 같이 기본적인 생체반응을 나타내는 지표부터 칼슘이나 PSA 수치 등 분자생물학적인 지표도 활용할 수 있다. 영상 바이오마커는 ‘의료영상 기술로 측정된 모든 바이오마커’로 정의할 수 있다.

< 대표적인 영상 바이오마커^{4), 5)} >

1. 암 진단 및 치료

  영상 바이오마커는 질병의 진단, 치료반응 평가, 예후 예측 및 재발 평가 등 임상 분야에서 광범위하게 활용되고 있다. Jadvar 연구팀이 발표한 논문에서는 암 치료반응 평가와 병기 재설정 시 [F-18]FDG PET/CT의 적절한 이용기준을 발표한 바 있다.⁶⁾ 이 논문에서는 암종별로 [F-18]FDG PET/CT 검사 이용목적, 재발 및 전이평가, 치료반응평가 등 평가항목을 나누고 이용이 적절할수록 높은 점수를 주었고 이 점수가 7-9점인 경우를 적합하다고 평가했다. 해당 논문에서 [F-18]FDG PET/CT 이용이 적합하다고 평가한 암종들은 유방암, 대장·직장암, 림프종, 폐암, 흑색종, 육종, 두경부암이었다.

< 암 환자 진료방침 결정에 이용되는 영상 바이오마커들⁷⁾>

2. 뇌·심혈관계 질병 진단

  CT는 뇌 급성출혈 진단에 유용하며, MRI는 뇌의 해부학 정보 및 출혈 여부 평가에 유용하다. 뇌혈관조영술은 뇌혈관 기형 부위로 유입되는 동맥, 기형 부위 및 유출 정맥을 볼 수 있는 검사방법으로 이용되며 치료방침을 결정할 때도 유용하다.

  심혈관계 질환 중 하나인 관상동맥질환을 진단할 때는 관상동맥에 쌓인 칼슘 정도가 중요하다. CT 영상은 관상동맥에 쌓인 칼슘을 1 mm2 당 130 HU보다 높은 감쇄 정도를 보이는 영역으로 정의하여 칼슘 점수의 상대위험도를 통해 관상동맥질환을 진단 할 수 있다. HU 기반으로 계산한 칼슘 점수에 따라 주요 심장질환이 발생할 위험도를 평가할 수 있다.⁸⁾

3. 신약개발 활용: 마이크로도징 임상시험

  마이크로도징(Microdosing) 임상시험이란 신약후보물질의 본격적인 임상시험에 앞서 아주 소수의 피험자를 대상으로 약물의 흡수, 분포, 대사, 배설 등을 예측하기 위해 실시하는 임상시험이다. 보통 임상 1상 이전에 시행하기 때문에 임상 0상으로 불리기도 하며, 이 방법을 이용하면 신약개발 기간과 비용을 절감할 수 있는 장점이 있다. 이때 많이 이용하는 영상 바이오마커 장비가 바로 PET이다. PET는 극미량의 약물도 영상화할 수 있어 약효가 예측되는 용량의 1/100 또는 100μg 이하를 투여하는 검사를 할 수 있다.

  신약후보물질에 방사성동위원소를 표지, 주사하고 PET 영상을 획득하면 방사성의약품의 체내 분포를 추적할 수 있고, 이를 통해 신약의 전신장기 및 표적부위 약동학을 평가할 수 있다. 또한, 방사성동위원소가 표지된 약물을 체내에 투여한 후 동적(dynamic) PET 영상을 획득하면 체내 분포, 배설경로 및 생물학적 반감기를 평가할 수 있다. 신경계에 작용하는 약물을 개발하는 경우 뇌혈류장벽을 통과하는 정도를 PET 영상으로 평가하여 지용성 정도를 최적화할 수 있다. 또한 극미량의 C-14를 표지한 신약후보물질을 투여한 후 atto(1×10-18)mole 수준의 고감도를 가지는 AMS(Accelerator Mass Spectrometry)를 이용하면 신약후보물질의 약동학 정보를 평가할 수 있다. 특히, 경구투여 약물에서 경구투여와 정맥투여에 의한 약동학적 자료를 함께 구하는 데 유용하다.

< [F-18]FMT PET 마이크로도징 임상시험에서 시간대별 PET 영상⁹⁾ >

  영상 바이오마커로 활용되는 방사성의약품들은 대부분 핵의학 검사 시 활용된다. 특히 [F-18]FDG와 Tc-99m MDP는 암 진단과 암의 뼈 전이 여부를 진단하는 대표적인 영상용 방사성의약품이다. 주요 영상 바이오마커용 방사성의약품들에 대해 아래 표에 정리하였다.

< 18F-FMT PET 마이크로도징 임상시험에서 시간대별 PET 영상 ¹⁰⁾>

방사성의약품을 이용해 암 진단·치료를 동시에 진행하는 테라노스틱스 전문센터가 서울아산병원에 국내 최초로 개소했다는 소식이 들려왔다.¹¹⁾ 그동안 미진했던 국내 방사선 정밀의료 기술의 임상 적용이 이번 테라노스틱스 전문센터 개소를 시작으로 앞으로 진단용·치료용 방사성의약품 연구와 방사선 정밀의료 임상기술 도입이 활성화되는 계기가 되길 희망한다. ◼(다음 회에 계속됩니다.)

1) [노벨상 2023] X레이의 DNA 파괴 순간 포착...‘아토초’시대 연 과학자들, 물리학상(종합), 동아사이언스, 23.10.03

2) https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2023/summary 

3) https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2023/popular-information 

4) JPB O’Connor et al, Imaging biomarker roadmap for cancer studies, Nat Rev Clin Oncol, 2017; 14(3), 169-186 

5) 인공지능 활용 방사선 정밀의료, 2018, 한국원자력의학원 

6) Jadvar et al, Appropriate Use Criteria for 18F-FDG PET/CT in Restaging and Treatment Response Assessment of Malignant Disease, J Nucl Med, 2017, 58(12);2026-2037  

7)JPB O’Connor et al, Imaging biomarker roadmap for cancer studies, Nat Rev Clin Oncol, 2017; 14(3), 169-186  

8) Greenland P et al, ACCF/AHA 2007 Clinical Expert Consensus Document on Coronary Artery Calcium Scoring by Computed Tomography in Global Cardiovascular Risk Assessment and in Evaluation of Patients with Chest Pain, J Am Coll Cardiol, 2007;49(3):378-420 

9) 인공지능 활용 방사선 정밀의료, 2018, 한국원자력의학원 

10) 인공지능 활용 방사선 정밀의료, 2018, 한국원자력의학원 

11) 방사성의약품으로 암 진단·치료하는 ‘테라노스틱스’전문센터, 국내 첫 개소, 매경헬스, 23.10.12