△ 신개념 의료기기 기술이 잇따라 개발되고 있다.

국내에서 차세대 의료기기 기술을 잇따라 개발해 상용화 기대감을 높이고 있다.

8일 의학계 등에 따르면 국내 연구진이 초분광 영상기술·AI 활용 위암 진단 기술, 10분 이내 관절염 진단 기술, MRI 조영제·뇌암 온열치료 동시 사용 가능 나노물질 등을 개발하는데 성공했다.

아주대학교 물리학과 윤종희 교수와 의과대학 노충균(소화기내과학교실)·노진(병리학교실) 교수팀은 최근 초분광 영상기술과 인공지능을 활용해 정밀하고 빠른 위암 진단 기술을 개발했다.

'빛'을 활용한 질병 진단 기술은 비침습적이고 안전해 새로운 질병 진단 기술로 많은 연구가 이뤄져 왔다.

덕분에 여러 의미 있는 연구 결과가 나왔지만 실제 의료환경에 적용할 수 있는 광기술은 여전히 매우 제한적이다.

환자를 진단하고 치료하는 의료 현장에는 여러 공간적·시간적 제약이 존재하기에 빛을 활용하기 위한 장치인 광학계(optical system)의 크기가 작고 촬영 및 분석이 빠르게 이뤄질 수 있어야 실제 도입이 가능하다.

연구팀은 이러한 점에 착안해 초분광 영상기술과 인공지능을 활용한 연구에 나섰다.

초분광 영상기술은 빨강·초록·파랑을 측정하는 기존의 컬러 영상기술에 비해 더 많은 색을 정밀하게 측정할 수 있는 기술이다.

사람의 눈으로 볼 수 있는 빨강·초록·파랑의 가시광선 영역뿐 아니라 자외선과 적외선 영역의 빛까지 분해하고 분석할 수 있는 것으로 더욱 정밀한 측정이 가능한 특성 덕에 초분광 영상기술은 우주, 국방, 의료를 비롯한 다양한 분야에 적용되어왔는데 그 정보량이 많아 정밀한 분석에 어려움을 겪어왔다.

이러한 부분을 해결하기 위해 인공지능(AI)을 활용해 영상을 분석하려는 시도가 이어져 왔으나 의료영상 데이터의 경우 인공지능 학습을 위한 정밀한 정답 데이터를 확보하는 것이 매우 어려웠다.

연구팀은 이러한 한계를 돌파하기 위해, 영상처리 및 정합 기술을 개발해 병리조직검사 데이터와 초분광 영상 데이터를 비교하고 정답 데이터를 확보해 인공지능 모델을 정밀하게 학습시켰다.

연구팀은 초분광 영상기술을 통해 생체 조직의 산란 및 흡수 특성을 측정하고 정상 조직과 암 조직 등 질병에 따라 변화되는 조직의 광특성을 질병 진단에 활용했다.

연구팀은 초분광 영상기술과 인공지능을 통해 환자로부터 획득한 조직으로 별도의 생화학 처리 없이 암의 유무를 진단할 수 있음을 보인 성과로 조직 검체 확보와 동시에 수 분 내 암 진단이 가능해 환자 치료에 많은 도움을 줄 수 있을 것으로 기대했다.

한국재료연구원(KIMS) 바이오·헬스재료연구본부 정호상 선임연구원팀은 최근 서울성모병원 연구팀과 함께 함께 관절 윤활액 속 미세한 분자의 신호를 증폭하고, 이를 인공지능 분석법과 수학 알고리즘으로 계산해 관절염을 유발하는 극미량의 물질을 찾아내는 데 성공했다.

골 관절염과 류마티스 관절염은 비슷한 질병처럼 보이지만, 발병 원인과 치료법이 달라 초기 진단에서 정확히 구분하는 것이 중요하다.

현재까지는 엑스레이, MRI, 혈액검사 등이 진단에 활용돼 왔지만, 시간과 비용이 많이 드는데다 정확도에도 한계가 있었다.

연구팀은 관절 속에 있는 윤활액에 포함된 대사산물(몸속에서 일어나는 화학작용의 결과물)의 조성 차이에 주목했다.

이를 통해 두 관절염을 10분 이내로 구분하고, 류마티스 관절염의 중증도까지 진단할 수 있는 기술을 완성했다.

연구팀은 '표면증강 라만산란(SERS)' 기술을 활용했다. 표면증강 라만산란은 분자 고유의 광학신호가 수백만배 이상 증폭되는 현상을 의미한다.

연구팀은 또 체액이 잘 흡습되는 종이 표면에 바다 성게 모양의 금 나노 구조체를 형성해 만든 진단 센서를 활용함으로써 간단·신속한 진단이 가능하도록 했다.

연구팀이 서울성모병원과 함께 120명의 환자를 대상으로 이 기술을 활용해 검사를 실시한 결과 골 관절염과 류마티스 관절염을 94% 이상 정확도로 진단·구분할 수 있었다.

류마티스 관절염의 중증도 구분 정확도는 95% 이상을 달성했다.

연구팀은 이 기술이 상용화되면 진단뿐만 아니라 치료 경과를 확인하는 데도 도움이 될 것으로 기대했다.

서울대병원 융합의학과 나이랑 교수와 신경외과 백선하 교수팀은 최근 서울대 융합과학기술대학원 박원철 교수, 상하이교통대 릉대순 교수팀과 함께 나노물질(MnZn-SPION-7)을 개발하고 생체 내 실험 등을 통해 교모세포종의 진단 및 치료 효과를 확인했다.

연구팀은 고온열분해 제조공법을 통해 기존 산화철에 망간(Mn)과 아연(Zn)을 도핑하는 방법으로 7-nm 크기의  Mn0.5Zn0.5Fe2O4 산화철 나노물질 'MnZn-SPION-7'을 개발했했다.

또 안전성을 향상하기 위해 메톡시-PEG-실란 용매로 표면을 수정해 PEG-MnZn-SPION-7를 제조했다.

이후 나노물질의 안정성, 생체 안전성, 생체 적합성 및 진단·치료 성능을 평가하기 위해 생채 내 실험과 시험관 실험을 진행하고 기존 Fe3O4 산화철 나노물질(SPION)과 비교했다.

연구 결과 PEG-MnZn-SPION-7은 크기와 모양이 균일했으며 수용액에서 자기적 특성을 유지해 나노물질의 안정성이 입증됐다.

아울러 기존 SPION보다 현저하게 높은 MRI T2 강조효과를 보여 조영제로써 탁월한 성능을 확인했다. 

치료효과 측면에서 MnZn-SPION-7은 140Oe, 100kHz의 교번자기장에서 기존 SPION보다 5배 이상의 높은 발열을 보였다(78.4°C 대 15.4°C). 

또 PEG-MnZn-SPION-7을 교모세포종 세포에 주입했을 때 온도가 26.6 °C 상승해 교모세포종 세포가 소멸했으며 2주 동안 6회에 걸쳐 동일한 교번자기장을 가했을 때 면역세포 활성이 유도됐다.

연구팀은 MnZn-SPION-7 나노물질은 매우 높은 고온의 온열치료뿐만 아니라 MRI 조영제로써 종양 추적을 동시에 가능하게 해 새로운 암 치료법 개발에 큰 도움이 될 것으로 기대했다.

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• 강찬우 기자
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