Address for correspondence : Seung-Kuk Baek, MD, Department of Otorhinolaryngology-Head and Neck Surgery, Korea University College of Medicine, 126-1 Anam-dong 5-ga, Seongbuk-gu, Seoul 136-705, Korea
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서     론

   나노기술(nanotechnology)은 화학, 물리학, 공학, 분자 생물학 등의 여러 과학분야들의 학제 간 융합을 바탕으로 생겨난 대표적인 융합학문 및 융합기술의 하나이다. 나노기술의 발전을 통해 나노입자(nanoparticle)가 생물학 분야에 이용되면서 나노기술은 기존 과학계의 새로운 지평을 열고 있다.
   적절한 크기를 가지는 나노입자의 제조와 입자 표면에 생물학적 활성물질의 결합을 가능하게 하는 나노입자의 계면화학(surface chemistry) 성질은 이들 나노입자가 생물학과 의학 분야에 광범위한 적용이 가능하도록 한다.¹⁾ 특히, 임상적으로 적용되고 있는 대표적인 나노기술은 약물전달(drug delivery),^2,3,4) 암세포의 진단,^5,6,7,8) 암의 치료^9,10) 분야에서 이용되고 있다.
   현재 다양한 나노입자가 이용되고 있는데 구성성분에 따라 gold, iron oxide, carbon, dielectric materials, liposome이 있고 모양에 따라 고형 나노입자(solid nanoparticles), 나노쉘(nanoshell), 나노케이지(nanocages), 나노와이어(nanowire), 나노튜브(nanotubes) 등으로 나눌 수 있다.¹¹⁾ 이런 다양한 구성과 형태의 입자가 나노크기의 범위를 가질 경우 무기 나노입자들은 일정한 전자적(electronic), 자기적(magnetic), 광학적(optical), 광열적(photothermal) 촉매의(catalytic) 성상을 가지므로 임상적인 적용이 가능하다. 여러 나노입자들 중에 쉽게 제작이 가능하고, 다양한 기능의 성상을 보이고, 용이한 계면화학적 성질을 가지고 있으며 비교적 생체에 적합하여 낮은 독성을 보이는 금 나노입자(gold nanoparticle)는 향후 전도유망한 물질 중의 하나이다.^{11,12,13,14,15)}
   금 나노입자를 이용하여 혈관 내 약물이나 유전자의 전달,¹⁶⁾ 광열치료,^9,11) 전리방사선강화(ionizing radiation enhancement)^17,18) 분야에서 연구가 이루어지고 있다. 현재 제1상 임상시험을 두경부 암 환자에서 적용을 하고 있을 정도로 그 유용성에 대해 인정받고 있는 금 나노입자에 대해 이해를 하고 향후 이비인후과를 포함한 다양한 임상에서 실용화될 것으로 예상되는 나노기술에 대해 소개를 하고자 한다.

본     론

금 나노입자(Gold nanoparticle)의 특징
   금 나노입자들의 성질 중에서 생물학적 관점에서 매우 중요한 특징이 있는데, 첫 번째로 나노크기의 입자들은 생체 내 정맥혈관에 주입이 되면 종양 부위에 다수의 입자들이 모이기 때문에 종양을 추적하여 약물을 주입하거나 그 위치를 진단하는 데 이용될 수 있는 성질이 있다. 두 번째로 특정한 파장의 빛에 반응을 하기 때문에 종양뿐만 아니라 종양세포의 영상까지도 촬영이 가능하며 입자 표면에서 열을 발산하기 때문에 고열치료(hyperthermal treatment)의 일종인 광열치료가 가능하다.

세포의 영상에 유용한 금의 광학적 성질

표면 플라스몬 공명(Surface plasmon resornance)
   금 나노입자는 외부에서 빛에 의해 자극이 되는 경우에 입자 표면에 존재하던 전도전자(conduction band electron)들이 서로 간섭을 받으면서 입자 표면에서 진동하게 되는데, 이런 현상을 표면 플라스몬 공명(surface plasmon resonance, SPR)이라 한다. 빛을 받은 금 나노입자들은 빛으로부터 받은 에너지에 대해 광산란(light scattering)과 광흡수(light absorption)라는 두 가지 반응을 보이는데, 광산란은 빛으로부터 받은 에너지가 입자 표면의 전자를 자극하여 진동하면 같은 색깔의, 즉 같은 파장의 빛을 발산하는 것이고, 광흡수는 흡수된 에너지가 열로 전환되는 것이다. 따라서 나노입자들은 그 크기, 모양, 조성, 주변 환경의 변화에 따라 최대로 산란되고 흡수되는 특징적인 파장이 존재하며 이를 'Peak frequency'라고 한다. 이 특정 파장은 적절한 크기와 모양의 변화를 통해 가시광선과 적외선 영역까지 조정이 가능하다(Fig. 1). 따라서 이런 특성을 이용해 특정 파장에서 매우 예민하게 반응하는 나노입자의 제작이 가능하며 암세포의 영상촬영이나 광열치료에 적용이 가능하다.
   직접적인 광산란 및 흡수와 함께 표면 플라스몬 공명현상을 이용하여 입자표면 주변에 존재하는 광학적인 성질을 가지는 분자들에게 영향을 주어 세포의 영상을 얻을 수 있으며 이때 이용되는 많은 광학적 기술들에는 형광(fluorescence),¹⁹⁾ 광흡수 및 산란,^20,21) 광음향영상(photoacoustic imaging),²²⁾ 표면강화라만산란(surface enhanced raman scattering, SERS)²³⁾ 등이 있다.

금 나노입자의 형광영상
   표면 플라스몬 공명은 나노입자에 가까이 있는 물질의 광학적 특징을 변형시킬 수 있다. 금 나노입자들은 어떤 물질에 결합을 하면 그 물질이 가지고 있는 형광성을 상쇠시킬 수 있다. 하지만 나노입자로부터 그 물질이 일정거리 떨어지게 되면 물질의 형광성이 다시 증가된다. 실제로 구강 편평세포암종의 세포 배양 모델에서 금 나노입자들을 세포와 같이 배양하면 본래에 가지고 있던 암세포의 자가형광성이 거의 15% 가량 감소된다는 것을 발견했다.¹⁹⁾ 이런 현상은 나노입자의 강한 광흡수성 때문에 발생한다고 알려져 있다.

표면강화라만산란(Surface enhanced raman scattering)
   라만산란이란 특정 주파수의 빛이 조사된 분자는 분자의 고유 진동에너지에 의해 산란광이 변형되는 현상으로 이 산란광은 물질의 고유 특성으로 분자의 분자구조를 추론할 수 있다. 금 나노입자의 표면 플라스몬 공명은 인접한 분자들의 라만산란을 증폭시켜 표면강화라만산란을 발생시키며 이때 발생한 라만산란은 수백만 배 증폭되어 동물실험에서 암세포의 생체 내 탐지를 가능하게 한다.²³⁾

금 나노입자를 이용한 약물전달(Drug delivery)
   인체 내 면역체계에 의한 인식이 안될 경우에는 외부에서 주입된 10~140 nm 크기의 금 나노입자는 종양 주변에 모이는 성질을 가지고 있는데, 이 현상을 enhanced permeability and retention(EPR) 효과라고 한다.²⁴⁾ 악성 종양은 급격한 성장에 필요한 영양공급을 위해 다수의 신생혈관을 만드는데, 이때 만들어진 신생혈관들은 그 형태가 미성숙하기 때문에 정상적인 혈관에 비해 투과도가 증가되어 있다. 따라서 나노 크기의 작은 입자들은 미숙한 혈관 벽을 통과해서 주변으로 이동을 할 수 있게 되어 종양 내에 축적이 되는 현상을 보인다. 물론, 단순한 금 나노입자의 경우는 면역반응을 일으키기 때문에 체내에 들어오자마자 빠르게 세망내피계(reticuloendothelial system)에 의해 제거가 된다. 따라서 혈류 내에 오랫동안 유지될 수 있도록 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol, PEG)같은 중합체를 이용해 나노입자 주변에 보호막을 씌워주어야 EPR 효과를 통해 종양으로 나노입자를 보낼 수 있게 되며 이런 방법을 'Pegylation'이라 한다.³⁾
   금은 황 분자와 쉽게 결합하는 성질이 있기 때문에 싸이롤(thiol) 기의 환원력을 이용해서 금 나노입자를 여러 물질들과 용이하게 결합을 시킬 수 있다. 이런 성질을 이용해 독성 화합물인 tumor necrosis factor(TNF)를 선택적으로 원하는 부위로 이동시킬 수 있다.³⁾ 특히 Pegylation된 금 나노입자에 TNF를 결합시키는 경우 다른 정상적인 기관에는 손상이 없이 종양에서 선택적인 독성을 나타내며 TNF 리간드에 의해서도 종양 특이성이 증가된다.^25,26) 현재 가능한 추적 리간드(ligand)로 여겨지는 표피생장인자(epidermal growth factor),²⁷⁾ 엽산(folate),²⁸⁾ 트랜스페린(transferrin),²⁹⁾ 세포 표면에 존재하는 수용체를 인지하는 항체나 항체의 결합단백질인 single chain variable fragment^30,31,32)가 있다(Fig. 2).

광열치료(Photothermal therapy)
   종양은 정상세포에 비해 부족한 혈액공급으로 인해 열에 대한 저항능력이 떨어지기 때문에 41~47℃ 정도의 고체온(hyperthermia)에서 선택적으로 파괴된다. 이때 고체온은 세포막을 느슨하게 하고 단백질의 변성을 일으켜서 불가역적인 세포 파괴를 일으킨다. 하지만 과거에 사용되었던 고열을 발생시키는 방법들은 선택적으로 종양만을 파괴하고 주변의 정상 조직을 보존하는 데 있어 제한 점이 많아 그 적용에 한계가 있었다.³³⁾ 레이저의 발견과 함께 임상 적용을 통해 레이저를 이용한 열 치료가 시도되었으나 강하고 빔 크기가 작은 레이저빔은 조직 속으로 깊이 침투가 되지만 비특이성(non-selectivity)이라는 큰 단점으로 인해 제한이 있었다.
   이런 특이성을 높이기 위한 방법으로 시작된 광화학치료(photochemotherapy)라고 알려져 있는 광역학치료(photodynamic therapy)가 있다.^{34,35,36,37,38,39,40)} 주로 가시광선이나 근적외선 영역의 특정 파장을 가지는 빛에 노출이 되는 경우 이에 대해 반응하는 광감각제를 통해 조직 내에 있는 산소를 독성의 활성화된 산소로 변화시켜 종양세포의 직접적인 파괴와 주변 혈관의 폐쇄를 통해 종양을 파괴한다.⁴¹⁾ 하지만 광역학치료의 주된 제한점은 광감각제가 너무 오랜시간동안 체내에 남아 있다는 것으로 이 기간 동안에는 환자가 빛에 매우 민감하기 때문에 빛으로부터 차단되어야 한다.
   광역학치료의 변형으로 생긴 치료 방법이 광열치료이다. 광역학치료와 기본적인 구성은 비슷하여서 특정 파장에 광열인자가 반응을 하면 물질의 표면에 존재하는 전자가 여기가 되고 여기된 전자가 안정화 되면서 발생되는 에너지에 의해 주변 조직에서 열이 발생된다. 이때 사용될 수 있는 광흡수 물질들에는 인도시아닌그린(indocyanine green),^42,43) 나프탈로시아닌(naphthalocyanines),³³⁾ 전이금속과 결합된 포르피린(porphyrins coordinated with transition metals)⁴⁴⁾ 등이 있으나 이와 같은 염색 물질들은 빛을 받은 이후에는 형광성을 소실하는 문제가 있다.
   최근 나노기술의 발달로 인해 여러 가지 나노입자들을 광열치료에 이용하기 시작하였다. 금속 나노입자는 과거에 사용되던 광흡수성 염료에 비해 4~5배의 광흡수성을 보인다. 이런 강한 흡수성은 더 적은 에너지의 레이저를 이용해 효과적인 치료가 가능하도록 하기 때문에 주변 정상 조직의 파괴를 줄일 수 있다. 또한 금속 나노입자는 빛에 대해 높은 안정성을 보이며 염료에서 보이는 형광성의 소실이 없다. 현재 이용되고 있는 금속 나노입자는 금 나노스피어(gold nanosphere),^17,45,46,47) 금 나노로드(gold nanorod),^12,48) 금 나노쉘(gold nanoshell),^9,10,49,50) 금 나노케이지(gold nanocage),⁵¹⁾ 탄소 나노튜브(carbon nanotube)⁵²⁾ 등이 있고 가시광선이나 근적외선 영역에서 강한 광흡수성을 보여 광열치료에 적합하다.
   전술한 바와 같이 금 나노입자의 크기, 모양, 조성을 조절하여 가시광선과 근적외선 영역에서 가장 많은 에너지를 흡수하도록 할 수 있다. 특히 나노스피어, 나노로드, 나노쉘은 제작의 용이성, 다양한 적용가능성, 조절 가능한 광학성 특성을 가지고 있어 향후 나노기술에 매우 유용하게 이용되리라 예상되는 입자들이다. 
   Faraday⁵³⁾에 의해 최초로 아교질염화금(colloidal gold)을 만든 이후 크기를 조절할 수 있는 입자를 제작할 수 있게 되었으며 이들 입자와 빛과의 관계에 대해 많은 연구가 있어 왔다.^54,55,56,57) 금 나노스피어는 가시광선 영역의 빛에 반응하여 강한 표면 플라스몬 공명현상을 만든다. 이때 입자 크기가 증가함에 따라 반응하는 빛의 파장이 긴 쪽으로 이동하며 나노입자들이 융합되거나 서로 뭉치는 경우 근적외선 영역의 빛에 반응을 한다. 또한 금 나노입자가 구형(sphere)에서 막대형(rod)로 바뀔 경우 막대형 나노입자의 길이 방향으로 형성되는 표면 플라스몬 공명이 근적외선 영역의 빛에 반응하는 현상을 보인다. 이처럼 크기와 모양의 변화를 통해서 나노입자의 반응 주파수를 조절할 수 있는데, 특히 조직 내로의 투과도가 더 높은 근적외선을 이용할 수 있는 금 나노입자들의 연구가 활발하게 이루지고 있다.
   금 나노스피어의 조성을 변형하여 만들어진 금 나노쉘의 경우는 근적외선 영역으로의 주파수 변동을 얻을 수 있다. Oldenburg 등⁵⁸⁾에 의해 개발된 금 나노쉘 구조는 100~200 nm의 실리카 코어(silica core)와 그 주변을 싸고 있는 5~20 nm의 금으로 만들어진 얇은 외피(gold shell)로 이루어져 있다(Fig. 1). 이들 나노쉘은 근적외선에 대해 강한 광흡수와 광산란을 보인다.⁵⁹⁾ 이런 광학적 성질은 나노쉘의 실리카 코어의 직경에 대한 금 외피의 두께의 비에 따라 조절이 가능하며 이 비가 감소될수록 파장이 더 긴 빛에 반응을 한다.⁶⁰⁾ 
   이와 같이 특정파장에 반응하고 낮은 에너지의 빛에 의해 열 발생을 효과적으로 할 수 있는 금 나노입자들의 발견은 향후 암 치료에 있어 광열치료의 전망을 밝혀준다. 특히 대부분의 암이 신체 내 깊은 부위에 존재하는 심부 암이라는 것을 고려해 볼 때 조직 투과도가 좋고 정상 조직의 손상이 적은 근적외선을 이용해 광열치료가 가능해져서 임상적인 적용에 매우 유용하리라 예상된다. 실제로 근적외선은 유방조직에서는 10 cm, 두개골/뇌조직과 심부 근육조직에서는 4 cm 정도 침투가 가능하다.⁶¹⁾ 물론 나노입자의 선택과 광원으로부터 종양 내부로의 빛의 전달방법에는 종양의 원발 부위에 따라 다를 수 있는데, 혈관을 통하거나 직접 종양에 삽관을 해서 종양내부로 빛을 전달하거나 수술 후 잔존 암세포에 조사를 할 수 있다.
   이처럼 빛의 전달에는 이견이 없을 수 있겠지만 금 나노입자들을 종양 내로 선택적으로 이동시키는 방법은 계속적으로 연구가 되고 있다. 전술한 바와 같이 Pegylation이라는 방법을 통해 혈류 내에 나노입자들의 잔존기간을 늘리는 방법과 추적 리간드를 결합시켜 좀 더 선택적으로 나노입자들을 이동시키려 하고 있다. 최근에는 대식세포(macrophage)가 나노입자들을 섭취하도록 체외에서 미리 조작을 하여 이 세포들을 혈관 내로 주입을 하여 대식세포가 나노입자를 종양세포 내로 이동시켜 주는 전달자(vector) 역할을 하도록 하는 실험이 이루어지고 있다.^{10,62,63,64,65,66)} 종양세포로부터 분비되는 chemokine들 중에 어떤 물질이 대식세포의 주화성(chemotaxis)를 촉진시키는지에 대해서는 더 연구가 이루어져야 나노입자의 전달에 특이성을 높일 수 있을 것으로 생각된다.
   실제 금 나노입자에 의해 발생되는 열은 과거에 사용되는 광흡수성 염료에 비해 매우 낮은 레이저 강도에서 70~80℃정도까지 발생되며,⁴⁷⁾ 이는 세포를 이루고 있는 DNA, RNA, 단백질의 파괴 및 변성이 일어나기에 충분한 온도이며 세포벽에 발생하는 기포나 세포 막의 소실을 통해 세포의 괴사가 발생된다(Fig. 3).⁶⁷⁾

방사선치료 분야의 적용
   금은 방사선을 매우 잘 흡수하는 특징을 가진다. 따라서 이온화방사선의 효과를 증폭시킬 수 있는 것으로 알려져 있다. 실제로 종양 내에 있는 금 나노입자 주변에서 방사선 피폭량이 200% 이상 증가된다는 보고가 있으며⁶⁸⁾ 방사선치료만 한 경우에 비해 금 나노입자를 주입하고 방사선치료를 시행한 동물군에서 종양의 치료 효과가 우수한 것으로 알려져 있다.¹⁷⁾ 따라서 방사선치료의 효과를 향상시키면서 광열치료의 효과도 얻을 수 있다.⁶⁹⁾

나노입자의 잠재적 위험
   여러 질환의 진단이나 치료에 적용이 가능하리라 예상되는 나노입자의 한계점은 나노입자들의 생체 내에서의 잠재적 위험성에 대한 충분한 연구가 이루어지지 않았다는 점이다. 이들 입자들은 호흡기계, 심혈관계, 위장관계에 여러 병변을 일으킬 수 있는 위험이 있다.⁷⁰⁾
   나노입자는 부피에 비해 표면적이 넓기 때문에 매우 활성화 되어있고 여러 가지 촉매작용을 유발할 수 있다. 또한 쉽게 세포막을 통과해서 이동이 가능하므로 입자의 생리적인 작용에 대해서 충분한 연구가 있어야 할 것이다. 특히, 동물 실험에서는 가능하지만 인간의 생체 내에서의 그 위험성에 대한 연구는 한계가 있어 향후 이에 대한 연구가 충분히 이루어져야 할 것이다.

결     론

   일정하고 조절이 가능한 광학적 특징을 가지는 나노입자의 임상적인 적용은 향후 매우 고무적일 것으로 예상이 된다. 현재 이용되고 있는 여러 진단 기법을 뛰어넘는 매우 민감한 진단기법의 개발이나 좀 더 종양 특이성을 가지는 항암치료, 방사선치료, 광열치료를 일차치료 또는 보조치료로 적용할 수 있을 것이다. 나노입자가 체내에서 독성물질로 작용할 가능성에 대해서는 아직 해결하지 못한 부분이 있지만 현재 시행되고 있는 치료의 제한점과 독성효과를 비교해서 그 효과면에서 더 우수할 것으로 예상되는 경우에 나노입자를 이용한다면 두경부 암을 포함한 많은 질환의 진단과 치료에 있어 의미 있는 진일보를 할 수 있을 것이다.

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