[이데일리 강민구 기자] 한국화학연구원 연구진이 암, 림프절 등 위치 확인용 근적외선 의료영상에 쓰이는 형광염료가 빛을 받으면 빠르게 흐려지던 문제를 개선했다.

화학연은 박영일·남상환 박사팀이 박성진 조지아 공대 교수팀과 근적외선 형광염료 ‘인도시아닌 그린(ICG)’을 고분자 구조로 재설계해 광안정성을 높인 형광체를 개발했다고 19일 박혔다.

근적외선 의료 영상은 진단과 정밀 수술에 활용되는 기술이다. 근적외선은 가시광선보다 인체 조직을 깊이 통과하는데 이는 인체 속 수분과 혈색소(헤모글로빈)에 흡수되는 빛 손실이 상대적으로 적기 때문이다. 근적외선의 이런 특성을 형광 염료와 결합하면 수 cm 깊이의 생체 조직까지 영상화할 수 있다.

전 세계에서 유일하게 FDA 승인을 받은 근적외선 형광 염료는 인도시아닌 그린(ICG)이다. 1959년 FDA 승인 이후 60년 넘게 유방암 림프절 추적, 간암 절제, 담관 시각화 등 전 세계에서 다양한 진단, 수술에 활용된다.

다만 ICG는 빛을 받고 형광이 금방 흐려지는 ‘광 표백’ 문제가 있어, 장시간 수술에서 정확도가 떨어질 수 있다. 그동안 미세입자 캡슐이나 나노구조체로 ICG를 감싸는 시도가 있었지만, 제조공정이 복잡하고 형광물질이 새어 나오는 문제가 있어 상용화에 한계가 있었다.

연구팀은 ICG 분자를 고분자 사슬에 연결해 이 문제를 해결했다. 형광 발생 부위를 양쪽에서 잡고 고정시켜 오래 지속되게 했다.

ICG가 형광을 잃는 원인은 강한 빛(레이저)에 의해 주변 산소와 반응해 형광을 내는 헵타메틴 고리가 부서지기 때문이다. 연구팀이 만든 형광체(KR-NIR-P)는 고분자 골격이 발색단 주변의 산소 접근을 차단한다. 또 분자 간 소수성 상호작용이 구조를 안정되게 붙들어 같은 빛에도 오래 형광을 유지한다. 또한 고분자 구조가 분자들의 무분별 응집을 막아, 응집 자체가 광표백을 가속하는 요인도 차단했다.

실험 결과, 785나노미터 파장의 근적외선 레이저를 계속 비췄을 때 기존 ICG는 50초 이내에 형광이 40% 수준으로 줄었지만 개발한 형광체는 200초 후에도 66%를 유지했다.

세포 독성 실험 결과에서도 자궁경부암·구강 편평암 세포 등 암세포와 정상 세포 모두에서 20 마이크로몰(µM) 농도까지 세포 생존율 90% 이상을 유지해 생체 적합성을 확인했다. 세포사멸과 관련된 주요 단백질 변화도 기존 ICG와 큰 차이가 없는 것으로 나타났다.

실제 종양과 유사한 인공 세포 덩어리인 3차원 종양 스페로이드에 넣었을 때, KR-NIR-P가 깊은 층까지 균일하게 침투함을 확인했다. 마우스 생체 실험에서는 발바닥 피하 주사 후 2시간 만에 림프절에서 형광이 검출되고, 24시간 후에는 강하게 축적됐다. 암의 전이 경로인 림프절을 실시간으로 추적하는 데 활용할 수 있음을 보여준 것이다.

연구팀은 향후 독성 평가·약동학 연구 등 임상 전 단계 연구를 통해 안전성과 유효성을 입증할 계획이다.

신석민 화학연 원장은 “고분자화라는 합성 전략이 ICG 외 다른 형광 염료에도 적용할 수 있다”며 “위조 방지·보안 등 다양한 차세대 형광 진단 소재로의 확장도 기대된다”고 말했다.

연구 결과는 나노·마이크로 소재 분야 국제 학술지 ‘스몰(Small)’에 지난 6월호 표지 논문으로 게재됐다.