급성 심근경색 및 심장마비를 유발하는 고위험 동맥경화반을 조기에 진단할 수 있는 표적 영상 진단기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

미래창조과학부는 “고려대 김진원 교수와 기초과학지원연구원 박경순 박사 등 공동연구팀이 미래창조과학부 기초연구사업지원으로 이와 같은 연구를 수행했으며 기술 개발 결과는 세계적 권위의 학술지 사이언티픽 리포트(Scientific Reports) 3월 7일자에 게재됐다”고 밝혔다.

동맥경화반이란 동맥혈관 내벽에 지방이나 혈액 내 기타 물질들이 쌓인 덩어리를 말한다. 일반적으로 안정적인 상태로 단시간에 위험한 것은 아니나, 특정 염증세포의 침투로 인해 염증반응이 발생한 고위험 동맥경화반은 심근경색, 심장마비를 일으키는 주 원인이 되고 있다.

그동안 심혈관 질환은 전 세계적으로 주요 사망원인 중 하나로 이를 극복하기 위해 최근 관상동맥 내 고위험 동맥경화반을 조기에 진단하는데 관심이 집중되고 있다.

고위험 동맥경화반은 내부 괴사조직이 크고, 병변을 둘러싼 섬유막이 얇다. 특히 다수의 대식세포가 침착되어 이로 인한 염증 반응이 특징이다. 염증으로 인하여 보호 섬유막 조직이 녹아 파열되면 혈관 폐색을 일으켜 급성 심근 경색이나 심장마비를 일으키게 된다. 

그러나 현재 널리 사용 중인 관상동맥 조영술이나, 관상동맥 CT와 같은 영상 기술로는 혈관의 좁아진 정도나 동맥경화반의 대략적인 형태만 제한적으로 진단할 수 있다.

심장마비의 상당수가 협착의 정도가 심하지 않은 병변에서도 발생함을 고려할 때, 현재의 진단적 영상 기법으로는 고위험 동맥경화반을 조기에 진단하여 향후 심근경색이나 심장 마비를 예방하기에는 부족했다. 

김진원 교수 연구팀은 2011년 네이처 메디신(Nature Medicine)에 카테터 융합 영상 가능성을 처음 보고한 후, 2014년 미국 심장학회지인 써큘레이션 인터벤션(Circulation Intervention)에, 2016년 유럽 심장학회지인 유럽피언 하트 저널 (European Heart Journal)에 인도시아닌그린(ICG)을 이용한 연구 결과를 연이어 발표해 고위험 동맥경화반 융합 카테터 영상화에 세계적 수준의 기술과 독보적인 경험을 가지고 있다.

이번 연구에서 연구팀은 대식세포에 특정 수용체가 풍부하게 분포되어 있음에 착안하여 이를 표적 영상화하기 위한 연구를 진행했다.

연구팀은 1단계로 만노스 수용체를 표적으로 하는 근적외선 표지 나노 입자를 새로 합성했다. 이 나노 입자는 생체 적합성이 뛰어난 천연물질인 키토산을 기반으로 하여 합성됐다. 실험을 통하여 이 나노 입자들이 대식세포에 특이적으로 결합하는 것을 확인했다.

2단계로 연구팀은 자체 개발한 소형 동물 생체 내 영상 기법을 이용하여 0.5mm에 불과한 생쥐의 경동맥에서 염증 세포가 침투된 동맥경화반의 고해상도 분자 영상을 획득하는데 성공했다. 또한 조직 분석을 통하여 만노스 수용체 표적 나노 입자가 동맥경화반 내 대식세포에 효과적으로 결합한다는 것을 확인했다.

3단계로 임상 적용을 위하여 사람의 심장 혈관과 유사한 크기인 대형동물(토끼)의 대동맥에서 실험을 진행했다. 나노 영상 물질을 안정적으로 대용량 합성하여 토끼에 투여한 뒤 연구팀이 독자 개발하여 보유하고 있는 고속·고해상 삼차원 광단층-분자 영상 카테터 영상 시스템을 새로운 나노물질에 최적화하도록 설계를 변경 적용했다.

영상 실험을 통해 인체 내 관상동맥과 유사한 살아 있는 토끼의 대동맥 동맥경화반에서 동맥경화반의 형태 및 대식세포를 동시에 실시간 융합 영상화 하는데 성공했다. 

마지막으로 만노스 수용체 표적 나노 물질을 주입받은 동물에서 장기 손상이나 염증 물질 증가 등이 나타나지 않아 나노 물질이 생체 내에서 독성을 나타내지 않음을 확인했다. 

연구팀의 이번 영상 기술이 성공적으로 임상에 적용되면 고위험 동맥경화반의 조기 진단이 가능해져 심혈관 질환 사망률 감소에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

김진원 교수는 “이번 연구는 의학, 화학, 기계공학, 광학 등 다학제 연구의 결실이며 실험용 생쥐, 대형동물(토끼)에까지 성공적으로 실험을 마치고 인체 적용 또한 조기에 이루어질 것으로 전망돼 심혈관 질환으로 인한 사망률 감소에 기여할 것으로 기대된다”고 말했다.