[데일리비즈온 김소윤 기자] 한국과학기술연구원(KIST)은 24일 이 대학 바이오닉스연구센터 박기주 박사팀이 초음파 관련 지속적인 연구를 통해 집속초음파를 이용하여 종양 조직을 제거할 때 생성되는 2차 미세 기포의 발생 원리를 밝히기 위해 수학 모델을 개발했다고 밝혔다.

이에 따르면 연구팀은 초음파에 의해 생긴 1차 수증기 기포가 초음파 진행에 미치는 영향을 연구했다. 이 결과 수증기 기포에 의해서 전방위로 퍼져나가는 초음파와 지속적으로 입사되는 집속 초음파의 간섭이 그 원인이고 간섭되는 범위에서 2차 기포가 발생한다는 사실을 밝혀냈다.

초고속카메라를 이용하여 촬영한 결과와 비교한 결과 초음파가 간섭되는 범위와 2차 미세 기포가 실제 생성되는 위치가 일치하는 것을 확인했다는 설명이다.

연구팀은 지난해 기존 초음파 기술보다 수십 배 강력한 수십 메가파스칼의 음향 압력 세기를 갖는 초음파(고강도 집속초음파)를 이용하면 열에 의한 신체의 손상 없이 종양을 깨끗하게 파괴할 수 있음을 확인했다. 또 원리도 밝혀냈다.

의학계에서 초음파 에너지를 신체 원하는 타겟 위치에 모아 고열을 발생시키는 방식으로 자궁근종, 전립선비대증 등의 종양을 파괴해왔다. 외과적 수술 없이 조직을 괴사시킬 수 있다는 장점이 있다.

그러나 고열을 통해 조직을 태우는 과정에서 열확산 현상에 의해 종양 주변 조직까지도 태울 수 있는 단점이 있다.

열을 이용하지 않고 물리적으로 조직을 파괴하는 이 기술에서 강력한 초음파를 받은 목표 지점에는 수증기 기포가 생겨난다. 이 때 발생되는 1차 기포의 운동에너지에 의해서 목표한 종양 조직을 물리적으로 파괴할 수 있다.

하지만 목표 지점뿐만이 아니라 그 주변에서도 순차적으로 주변에 2차로 여러 미세 기포들이 동시 다발적으로 생성되기 때문에 원하지 않는 부위까지 파괴될 수 있어 이들의 생성 원인을 파악하고 발생 위치를 정확히 예측해야 했다.

이 가운데 이번 연구결과는 2차 미세 기포가 생성되는 원리를 설명하는 것은 물론 그 범위를 예측할 수 있게 됐다. 이전보다 안전하게 타겟 조직만을 정밀하게 제거할 수 있게 된 것이다.

연구팀 관계자는 “개발하고 있는 초음파 기술이 외과적인 수술 없이 종양조직만의 물리적 파쇄가 가능한 초정밀 집속 초음파 수술 기술로 발전되어 향후 임상에서 적용되길 기대한다”고 말했다.

앞서 초음파를 쬐어 나오는 나노 기포를 이용해 암세포를 터뜨리는 기술도 국내 연구팀에 의해 개발됐다.

3월 한국연구재단에 따르면 성균관대 박재형 교수 연구팀이 초음파를 쬐어 나오는 나노 기포를 이용해 암 세포막의 파열을 유발할 수 있는 기술을 개발했다. 암세포를 터뜨려 체내 면역력을 높이는 나노미터 크기 기포를 개발한 것이다.

이에 따르면 암세포가 세포막을 파괴해 스스로 사멸하는 ‘네크롭토시스’ 반응은 분해효소가 관여할 필요가 없어 면역유발물질의 손상을 최소화할 수 있다.

그러나 대부분의 암세포에서 네크롭토시스를 유발하는 단백질의 발현량이 낮기 때문에 이를 활용한 치료제 개발은 어려운 상황이었다.

이 가운데 연구팀은 단백질이 아닌 물리적 자극을 이용, 유사 네크롭토시스 반응을 유도할 수 있었다. 기포를 이용해 암세포를 터뜨리는 고분자를 설계해 초음파를 쬐어주면 고분자 내 액체가 기체로 변하면서 부피가 팽창, 세포막의 파괴를 유도하는 원리라는 설명이다.

연구팀은 공초점 현미경을 통해 초음파를 쬐고 난 이후 나오는 나노 기포에 의해 암세포의 구조가 붕괴하는 것을 발견했다. 특히 대장암 세포에 나노 기포를 처리하면 활성산소를 처리한 경우와 달리 면역유발물질이 손상되지 않는 것이 확인됐다.

아울러 연구팀이 폐암을 유발한 생쥐 모델에 면역관문억제제와 나노 기포를 함께 투여한 결과 면역관문억제제를 단독으로 투여할 때보다 종양 무게가 무려 97%가량 감소했다.