병든 세포 찾아내면 스위치 ON,‘나노 MRI 램프’ 개발 의학약학 기초과학연구원 (2017-02-07 09:43) 질병을 선택적으로 찾아내 강한 MRI 신호를 보내는 ‘나노 MRI 램프’가 개발되었다. 기초과학연구원(IBS) 나노의학 연구단 천진우 단장(연세대 화학과 특훈교수) 연구팀은 자기 공명 튜너(Magnetic Resonance Tuning, 이하 MRET, 엠레트) 현상을 처음으로 발견해 이 원리를 규명했다.MRET는 두 자성물질의 근접도에 따라 MRI 신호 강도가 달라지는 현상이다. 연구팀은 MRET의 작동원리를 실험과 이론으로 증명하고 질병 진단에도 적용할 수 있음을 밝혔다. 연구결과는 네이처 머티리얼즈(Nature Materials, IF 38.891)’ 온라인판에 2월 7일 새벽 1시(한국시간)에 게재된다.MRET 기반으로 작동하는 나노 MRI 램프는 자성나노입자, 상자성 물질(paramagnetic material), 생체인자 인식 물질 3가지로 구성되어 있다. 나노 MRI 램프는 자성나노입자와 상자성 물질 간 거리에 따라 MRI 신호를 켜거나(On) 끌 수(Off) 있다.  생체인자 인식물질은 나머지 두 자성물질을 연결한다. 생체인자 인식 물질이 질병 인자같은 특정 단백질과 결합하면 연결된 자성물질 간 거리가 멀어지며 MRI 신호가 켜진다. (그림 1 참고)MRET 현상은 상자성 물질 안에 있는 전자스핀의 움직임(전자스핀요동)이 자성나노입자의 간섭을 받아 발생한다. 상자성 물질이 자성나노입자에 가까이 붙어 있을 때는 전자스핀요동이 느려지며 MRI 신호가 약해진다. 반면 둘 사이가 7 나노미터 보다 멀어지면 전자스핀요동이 빨라지며 MRI 신호가 켜진다. (그림 2 참고) 나노 MRI 램프는 병든 조직을 주변 조직에 비해 최대 10배 밝게 보이는 고감도 영상을 구현한다. 현재 상용화된 MRI 조영제는 MRI 신호가 켜진 상태로 몸 안으로 주입되어 주변 조직과 병든 조직 간 명확한 구분이 어려웠다. 이와 달리 나노 MRI 램프는 특정 질병과 연관된 생체인자에만 반응한다. 천진우 단장은 “기존 MRI 조영제는 밝은 대낮에 램프를 켜는 것이라면 나노 MRI 램프는 밤에 램프를 하나 켜는 것”이라고 설명했다.  MRI 조영 진단의 한계를 극복할 수 있는 새로운 방법을 제시한 것이다. 특히, 나노 MRI 램프는 자기장의 원리를 활용하기 때문에 생체인자 인식 물질만 바꿔주면 다방면으로 쓸 수 있다. 예를 들어, 생체 내에 존재하는 다양한 염기서열의 유전자, 단백질, 화학분자, 금속, 산도 (pH) 등을 MRI로 영상화 할 수 있다. 생검(biopsy)과 같은 침습적 조직검사 없이도 암 관련 질병 인자를 영상으로 확인할 수 있다. 이번 연구에서 연구진은 나노 MRI 램프를 암 진단에 적용해 실험을 진행했다. 나노 MRI 램프는 암전이 인자 MMP-2(matrix metalloproteinase-2)가 생체인자 인식물질(펩타이드)을 끊으면 자성나노입자와 상자성물질이 멀어져 MRI 신호가 켜지는 작동 원리다. 실험 결과, 나노 MRI 램프는 나노 몰(nM) 농도 이하 극미량의 MMP-2를 선택적으로 검출하고, 암에 걸린 동물모델의 암 부위에서만 강한 MRI 신호를 보내는 것을 확인했다.나노 MRI 램프는 생체 깊은 곳에 있는 질병 인자를 탐색하는 데 매우 효과적인 관찰도구가 될 것으로 기대된다. MRET을 활용하면 질병인자 탐색은 물론 생체 내 생명화학 현상도 볼 수 있다. 광학적 방법인 형광 공명 에너지 전달(fluorescence resonance energy transfer, FRET)은 생명현상을 관찰하는 데 널리 이용되고 있지만 생체 깊이 존재하는 조직을 관찰하는 것은 한계가 있었다. 이와 달리 연구진이 규명한 MRET은 자기장을 기반으로 해 광학적 방법이 갖는 빛의 한계를 극복할 수 있다. 천 단장은 “나노 MRI 램프는 원리가 간단하면서 높은 정확도와 민감도를 나타내 더욱 정밀하고 정확한 진단을 가능하게 한다”며 “분자 수준에서 관찰하고 진단하는 영상진단의 신개념을 제시했다”고 말했다. 연구 내용 논문명/저널명Distance-dependent magnetic resonance tuning as a versatile MRI sensing platform for biological targets / Nature Materials 저자정보Jin-sil Choi, Soojin Kim, Dongwon Yoo, Tae-Hyun Shin, Hoyoung Kim, Muller D. Gomes, Sun Hee Kim, Alexander Pines and Jinwoo Cheon* 연구내용 보충설명■ 생명현상은 여러 분자들 간 결합, 탈착 등 상호작용으로 다양하고 복잡하게 나타난다. 생명현상을 정확하게 이해하고, 의학적 진단을 위해서는 분자수준의 접근이 불가피하며, 효과적인 관찰 도구가 필요하다. ■ 본 연구에서 밝혀낸 MRET은 다양한 질병인자의 검출은 물론 그들의 상호작용을 찾아내는 자기공명영상(MRI)의 새로운 플랫폼 기술이다. 광학적 방법인 FRET에 MRI의 원리를 녹여 빛이 갖고 있는 한계를 극복하고자 했다. 연구 이야기 [연구 배경] 이번 연구는 MRET 현상이 발생하는 원리를 규명하고 질병인자 검출 센서로서의 응용가능성 등을 타진하고자 했다. [어려웠던 점] 최초로 규명하는 원리이기 때문에 이 현상을 이론적으로 검증할 수 있는 연구자를 찾는 것이 중요했다. 연구결과 도출 후, MRI 분야의 석학인 Alexander Pines(UC Berkeley)교수팀의 이론적 검증을 거쳐 본 연구의 타당성이 성공적으로 확인되었다. [주목할 점] MRET은 나노미터 거리에 따라 MRI 신호가 조절되는 특징을 지녔다. 다양한 생체인자 간의 상호작용은 거리 변화가 동반되기 때문에 MRET은 생체인자의 검출 및 관찰에 활용될 수 있다. MRET 작동 원리가 간단하기 때문에 다양한 생명 현상을 탐색할 수 있다. 예를 들어 효소 및 분자에 의한 펩타이드 끊김, 이온 및 분자에 의한 유전자 접힘 및 펴짐 작용, 단백질 간 결합 및 해리 작용, 환원제에 의한 화학분자 끊김 등 우리 몸 속 물질의 다양한 상호작용을 MRI 영상으로 검출 가능하다. [향후 연구계획] MRET 원리 기반의 고감도 나노이미징 및 센싱기술을 개발하여, 각종 질병 검출 및 다양한 생명현상에 관한 보다 나은 이해에 기여하고자 한다. 예를 들어, 암 진단 시 암전이 및 진행에 대한 연구로 파악된 산소 포화도, 단백질 인자 등을 중심으로 MRI가 가능하다. 지속적인 발전이 있다면 질병 유무를 떠나 생검 없이도 보다 정확하고 정밀한 진단이 가능할 것으로 기대된다. [그림 1] 나노 MRI 램프의 구성요소나노 MRI 램프의 구성 요소는 자성나노입자, 생체인자 인식 물질, 상자성 물질이다.  상자성 물질이 자성나노입자로부터 가까이 위치하면 MRI 신호가 꺼지고(Off), 생체인자를 인지하여 멀어지면 MRI 신호가 켜진다(ON). 나노 MRI 램프는 유전자, 펩타이드, 효소, 화학분자, 단백질, 금속이온, pH 등 생체 인자 스위치에 따라 다양한 생체 상호작용을 관찰하는 도구로 사용할 수 있다. 예를 들어, 효소 및 분자에 의한 펩타이드 끊어지는 작용, 이온 및 분자에 의한 유전자의 접힘과 펴짐, 단백질 간 결합 및 해리 작용, 환원제에 의한 화학분자 끊김 등을 MRI 신호로 관찰 가능하다. [그림 2] 자기공명 튜너(Magnetic Resonance Tuning, MRET) 원리(가) 자성나노입자와 상자성 물질간 거리가 임계거리인 7나노미터 보다 가까우면(왼쪽) MRI 신호가 꺼지고 멀어지면(오른쪽으로 갈수록) MRI 신호가 켜진다.(나) MRET 현상은 상자성 물질의 전자스핀요동*을 자성나노입자가 간섭해 발생한다. 불안정한 상자성 물질의 전자스핀 요동이 빠를수록 물분자 내 핵 스핀이 이완되어 MRI 신호가 켜진다. 반대로 상자성 물질이 자성나노입자와 7나노미터보다 가까이 있으면 전자스핀 요동이 느려져 MRI 신호가 꺼지고 반대로 멀리 있으면 요동이 빨라지며 MRI 신호가 켜진다. *상자성 물질은 자성나노입자 없이 단독으로 존재할 때 전자스핀요동이 빨라 높은 MRI 신호를 나타낸다. [그림 3] 나노 MRI 램프와 기존 MRI 조영제의 차별성 나노 MRI 램프는 꺼진 상태였다가 특정 생체인자를 만나면 켜진다. 질병-주변 조직의 대조도가 높아 질병만 선택적으로 고감도로 영상화할 수 있다. 반면 기존 MRI 조영제는 생체인자와 관계없이 항상 신호가 켜져 있어 질병-주변조직 대조도가 낮아 질병의 확연한 질병 구분이 어려웠다. [그림 4] 나노 MRI 램프를 이용한 암전이 인자 검출.암전이 인자인 MMP-2는 암이 다른 조직으로 전이되게 한다. 연구진은 자성나노입자와 상자성 물질을 연결하는 펩타이드가 MMP-2에 끊어지면 MRI 신호가 켜지도록 나노 MRI 램프를 설계했다. 그 결과, 암에 걸린 동물모델의 MRI 영상에서 암 부위만 강한 MRI 신호(주황색)가 나타남을 확인했다. 출처 http://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=news&id=280185