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분자영상이란?

 

분자영상이란 살아 있는 세포, 조직, 개체(동물 또는 사람)에서 세포 또는 분자 수준의 생화학적인 변화를 비침습적이고 실시간적 방법으로 영상화하는 기법을 말한다. 분자영상을 위해서는 특수한 영상 장비와 생체 내 표적을 영상화할 수 있는 물질(probe, 프로브)가 필요하다.

 

분자영상은 의학뿐 아니라, 분자생물학, 방사화학, 물리학, 공학, 나노기술 등 다양한 분야가 협력하여 새로운 영상법을 개발해 내고 있으며, 분자영상기법은 궁극적으로 환자의 진단, 치료 반응 평가, 신약 개발, 개인화된 치료(personalized medicine) 등에 기여하고 있다.

 

핵의학 영상은 감마카메라, 양전자방출단층촬영(PET) 등의 영상장비와 방사성의약품을 이용하여 다양한 생화학적 변화를 영상화함으로써, 비침습적으로 질병의 진단에 기여해 왔으며, 따라서, 분자영상의 개념은 이러한 핵의학 영상의 원리에서 기원했다고 할 수 있다.

 

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아주대학교의료원 내에는 다양한 방사성의약품을 합성할 수 있는 싸이클로트론(cyclotron)과 소동물에서 PET 영상을 얻을 수 있는 microPET이 설치되어 있다.

 

싸이클로트론

가속기는 원자 핵을 이루고 있는 작은 입자(양성자, 중성자등)를 연구하는 과정에서 자연 방사성 전이가 아닌 인위적으로 높은 에너지의 입자를 생성하여 원자 핵에 충돌시켜 원하는 입자를 분리할 수 있는 장치로서 개발되었다. 일반적으로 의료용으로 사용되는 가속기는 양성자 에너지 30 MeV 이하의 저 에너지 싸이클로트론으로 가속하는 이온의 종류에 따라 양이온(H+)과 음이온(H-) 싸이클로트론으로 구분되며, 음이온 가속이 인출과정을 용이하게 하므로 널리 사용되고 있다. 한편, 싸이클로트론의 에너지에 따라서 생산되는 양전자의 종류가 달라지는데, 아주대학교병원 핵의학과에 설치되어 있는 싸이클로트론은 지멘스 사의 Eclipse HP 모델로서, Curie급의 양전자 방출 방사성핵종(18F,11C,13N,15O)을 생산할 수 있는 11 MeV 음이온 단일입자 가속기다.

 

지멘스 사의 Eclipse HP

 

싸이클로트론의 원리는 전자기 이론에 근거한다. 즉, 하전입자가 힘의 자기선에 수직으로 위치한 진공상태의 균일한 자기장 내로 주입될 때 그 입자는 원형으로 움직인다. 이 움직임의 주파수는 자장의 세기, 입자의 질량과 전하에 의하여 결정되고 입자의 속도나 에너지와는 무관하다. 가속될 입자는 중앙의 원에서 이온화되어 방출되며, 고주파 전극 디(Dee, 디자형 가속전극)에서 이온화된 입자의 에너지를 가속시키고 전자석은 입자의 궤도를 조정한다. 이온화된 입자의 원형의 움직임과 일치하는 주파수의 교류 전위가 고주파 전극 디 사이의 공간에 공급될 때 입자는 이 공간을 지날 때마다 가속되며, 반경이 더 이상 증가하지 않을 때까지 나선형을 형성하며 계속하여 가속된다. 가속된 이온들의 연속적인 흐름을 빔(beam)이라고 하는데 이들이 고주파 전극 디의 가장자리에 도달하면 인출되어, 표적(target)에 충돌한 후, 양전자를 방출할 수 있는 방사성핵종을 생성한다.

 

싸이클로트론의 원리

 



 

 

싸이클로트론에서 생산되는 대표적인 양전자 방출 방사성 핵종으로는 18F, 11C,13N,15O이 있는데, 이러한 양전자 방출 방사성 핵종은 대부분 짧은 반감기(18F - 110분, 11C - 20.4분, N-13 10분, O-15 2.1분)를 가지고 있어, 비교적 높은 방사선량을 투여하여 고화질의 영상을 획득할 수 있고, 하루에 반복하여 연속검사를 시행 할 수 있는 장점을 지닌다. 반면, 18F을 제외하고는 반감기가 너무 짧아 생산 즉시 사용해야 하므로, 싸이클로트론이 없는 기관에서는 사용할 수 없는 단점이 있다. 싸이클로트론에서 생산된 방사성핵종을 이용한 PET용 방사성의약품으로 가장 대표적인 것은 글루코오스 유도체인 18F-FDG이며, 임상적으로 악성종양의 진단, 재발, 치료반응평가와 뇌졸중, 간질, 치매 등의 뇌질환의 평가 및 심근의 생존능 평가 등에 널리 이용되고 있다. 또한, 최근에는 암 및 뇌질환의 조기 진단을 위한 건강검진 목적으로도 많이 이용되고 있다. 이러한 널리 사용되는 PET용 방사성의약품들은 최근에는 자동화합성장치를 통해 생산된다.

 


<자동화합성장치>

 

그 외에도 혈류(13NH3,H215O),아미노산(11C-methionine),세포막 지질(11C-choline),신경전달물질(18F-FPCIT),알쯔하이머 특이 물질(18F-PIB),호르몬(18F-estradiol)등 다양한 체내 물질을 양전자 방출 방사성핵종으로 표지하여, 신경계질환, 순환기질환 및 여러 악성종양과 관련된 연구에 이용되고 있으며, 이중18F-NaF(뼈전이),18F-FLT(3'-Deoxy-3'--fluorothymidine,폐암), 18F-FPCIT(N-(3-18F-fluoropropyl)-2ß-carbomethoxy-3ß-(4-iodophenyl)nortropane,파킨슨병), 11C-acetate(간암), 13N-NH3(심근혈류) 등이 최근 신 의료기술로 지정 받아 환자 진료에 이용할 수 있게 됐다.

 

microPET

MicroPET은 소동물(rat, mouse)에서 PET영상(-> 영상검사 참조)을 얻을 수 있는 분자영상 장비다. microPET은 예민도가 높으며, 투과력에 제한이 없어 심부조직의 영상에 유리하고, 정량적인 분석이 가능하며, 다양한 방사성의약품을 사용하여 생체 내의 여러 생화학적 변화를 평가할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 소동물 PET과 임상 PET의 원리가 동일하여 동물실험의 결과를 임상으로 바로 연계시킬 수 있는 장점이 있다.

MicroPET은 종양, 뇌질환 또는 심장질환 모델을 이용한 약제 반응 평가, 신약 개발을 위한 생체 내 분포 및 반응 평가, 질병 기전 연구, 세포 추적 연구 등 다양한 전임상 연구에 응용될 수 있다.

 

<아주대학교 핵의학교실에 설치되어 있는 GE사의 explorer vista DR microPET>

 


 

 

<전립선암세포를 좌측 어깨에 이식한 mouse의 F-FDG PET영상>

 


 

 

 

싸이클로트론 응용연구실

싸이클로트론 응용연구실은 병원 지하 3층 싸이클로트론실 옆에 위치하고 있으며, F-18 module과C-11 module이 장착된 2개의 research hot cell, 세포배양실, cold/hot chemistry room, chemical hood, surgical bench 및 gamma counter, HPLC, 증류수 제조기 등의 시설을 갖추고, 전임상 및 임상 연구를 위한 다양한 방사성의약품 합성/제조 및 개발 연구를 담당하고 있다.

 


 

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