대구경북과학기술원(DGIST·총장 이건우)은 장진호 전기전자컴퓨터공학과 교수팀이 기존 광열 치료 기술의 성능을 획기적으로 향상시킨 '울트라 광열 치료(ULTRA-PTT)' 기술을 개발했다고 17일 밝혔다.
빛을 이용한 광 치료 기술은 선택적으로 원하는 병변을 개선하거나 파괴할 수 있어 피부 타이트닝, 레이저 문신 제거, 레이저 암 치료 등을 위해 임상에서 활발하게 사용되고 있다. 하지만 빛이 생체조직 내로 진행하면서 발생하는 광 산란으로 빛이 침투할 수 있는 깊이가 제한된다.
빛 침투 깊이는 레이저 파장에 비례하기 때문에 임상에서는 근적외선(800~1000㎚) 대역의 레이저로 광 침투 깊이를 증가시켜 치료를 위해 활용하고 있다. 하지만 신체 치료를 위해 조사한 근적외선 대역의 레이저는 수분이 많은 물질에 에너지 흡수율이 높다. 인체는 약 60%가 물로 구성되어 있어 표피 등에 에너지가 다량 흡수될 수 있으며 이는 화상과 같은 부작용을 유발할 수 있다. 또 각 질병 치료에 최적화된 파장을 이용할 수 없기에 치료 횟수가 늘어나고 비용이 증가한다.
그동안 연구자들은 이를 해결하기 위해 근적외선 파장의 레이저를 잘 흡수하는 고성능 광열제 개발에 집중하면서 상대적으로 광 산란 자체를 줄이는 방법에 관한 연구는 미미했다. 연구팀은 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' 저널에 논문으로 발표했다.
그리고 후속 연구를 통해 '초음파 조직 투명화' 기술을 광열 치료에 적용한 이른바 'ULTRA-PTT 기술을 개발하고, 이를 기반으로 의료용 기구인 핸드피스를 제작했다. 'ULTRA-PTT 핸드피스'는 상용화를 고려해 사용자가 쉽게 잡을 수 있는 본체, 초음파를 조사해 조직 내 공기 방울 생성 및 유지하는 초음파 생성부, 도넛 모양으로 본체에 부착되어 가운데 구멍을 통해 치료 부위에 빛을 전달하는 레이저 조사부, 초음파를 생체조직에 전달하는 매질이 포함된 하우징부 등 4가지로 구성되어 있다.
쥐 모델을 활용한 임상 결과 암의 부피가 지속적으로 줄어들었고, 8일 후 완전히 소멸함을 확인했다. 또 조직학 분석을 통해 초음파 에너지에 의해 생성된 공기방울이 생체조직에 손상을 주지 않으며 공기방울 생성 전의 조직 특성으로 돌아감을 확인하여 인체에 무해함을 입증했다.
장진호 교수는 “이번에 개발한 'ULTRA-PTT 핸드피스'는 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.
이번 연구에는 원천기술인 '초음파 조직 투명화' 기술을 기반으로 GIST 고등광기술연구소 김혜민 선임연구원이 참여했다. 한국연구재단의 중견연구자지원사업의 지원으로 수행된 이번 연구성과는 최근 광학 분야의 저명 국제 학술지 중 하나인 '어드벤스드 옵티컬 머티리얼즈'에 게재됐다.
대구=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
