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'암세포는 정상세포에 비해 무를까, 단단할까?' 언뜻 느닷없어 보이는 이 질문에 대한 연구가 암 연구의 새로운 영역으로 떠오르고 있다. 암이 진전될수록 암세포가 물러지는 속성을 갖고 있기 때문이다. 즉, 암세포의 무른 정도를 파악하면 암 진단이 훨씬 더 정확해질 수 있는 것이다. 미국 LA소재 캘리포니아 주립대의 제임스 짐저스키(Gimzewski·56) 교수는 지난해 12월 전문학술지 '네이처 나노테크놀로지'에 발표한 논문에서 암세포가 얼마나 무른지에 대한 연구 결과를 발표했다.

◆전이 많은 암세포일수록 무르다

▲ 탐침이 세포로 접근해 세포막을 찔러서 세포의 무른 정도를 측정하는 단계를 그린 개념도. /UCLA 짐저스키 교수 제공

유방암이나 폐암의 암세포는 육안으로는 정상세포와 구별하기 힘들다. 세포가 사람 머리카락 굵기의 반 정도로 작은 데다, 정상세포와 암세포의 크기 차이가 별로 없기 때문이다.

짐저스키 교수는 세포가 정상세포인지 암세포인지를 파악하기 위해 AFM(Atomic Force Microscope)이라는 현미경을 사용했다. AFM은 빛을 사용해 피사체를 보여주는 일반적인 광학현미경이 아니다.

미국 하버드대학교 연구진은 전립선 특이항원(PSA)을 비롯한 암진단에 사용되는 마커 분자들을 아주 미세한 양인 0.9 pg/ml의 농도까지 측정할 수 있는 실리콘 나노 와이어 바이오센서를 개발하였다.

1차원(one-dimensional) 반도체 나노재료는 나노센서(nanosensor), 나노광전자소자(nano-optoelectronics), 나노전자소자(nanoelectronics), 나노광소자(nanophotonics) 등의 다양한 응용이 가능한 중요한 물질이다.

지금까지 연구된 대부분의 나노 소자들은 지름이 20~100nm 정도이고 길이가 수 마이크로미터 정도인 개개의 나노와이어나 나노튜브, 나노벨트(nanobelt) 등을 이용하여 제작되었다. 이러한 1차원 나노재료로 인해 소자의 크기가 현저하게 작아지고, 성능이 향상되고, 전력 소모가 감소하게 된다는 등의 많은 장점이 있다. 따라서 이러한 나노 재료를 이용한 소자들은 생물학적 소자(biological device), 나노로봇(nanorobotics), 보안 탐지(security monitoring), 방어 기술(defense technology) 등의 다양한 응용이 가능하게 될 것이라 전망되고 있다.

가까운 미래에 개개의 나노 소자들의 제조 기술을 결합하여 전체 소자가 나노시스템으로 이루어진 구조가 개발되어 나노센서, 나노전자소자, 나노광소자 등의 분야에서 획기적인 기술 도약이 일어날 것으로 전망되고 있다. 하지만 이것이 현실화되기 위해 극복해야 하는 문제가 있는데 바로 전력을 공급해 주는 공급원에 대한 것이다.

나노소자 자체는 아주 작게 만들 수 있지만, 이들에 전력을 공급해 주기 위한 배터리는 나노소자에 비해 아주 큰 면적을 차지하게 된다. 따라서 다양한 요소들이 결합한 나노시스템에서 전체 크기가 나노소자 자체가 아닌 배터리의 크기에 의해 결정되어 버리는 현상이 발생한다. 배터리의 수명, 크기, 무게, 유독성 등은 반드시 고려해야 할 중요한 요소이고, 특히 차세대 응용 소자 중 큰 범위를 차지할 바이오 소자로의 응용에 크게 영향을 미칠 것이다.

따라서 나노소자의 장점을 그대로 이용하기 위해서는 에너지를 외부에서 공급 받아서 선의 연결 없이(wirelessly), 원거리에서(remotely), 독립적으로(independently) 자가 발전되는(self-powered) 나노시스템의 개발이 반드시 필요한 상황이다.

이와 관련해 압전 마이크로/나노와이어를 이용하여 기계-전기적인 특성으로 조절되는 제동기와 센서를 연구한 결과가 있어 이를 소개하고자 한다. 이 연구는 8월 6일자 online으로 “Mechanical-electrical triggers and sensors using piezoelectric microwires/nanowires”라는 제목으로 `Nano Letters`에 발표되었다.

미국과 중국의 연구팀에 의해 공동 수행된 이번 연구에서 연구팀은 PFW(piezoelectric fine-wire, microwire, nanowire)를 이용하여 힘과 압력으로 동작하는 제동기를 제작하였다. 제동기를 여기시키기 위해 별도의 외부 전력원이 필요하지는 않았다. 이러한 “zero power" 제동기는 PFW의 압전성-반도체 결합 특성에 의한 압전소자(piezotronics)에 기반한 것이다.

연구팀은 특히 ZnO PFW를 이용하여 기계-전기 제동기를 제작하여 이를 증명하였다. 기계적인 영향을 한 번 받고 나면, 휘어진 PFW가 그 폭 사이에서 전압 감소(voltage drop)를 야기하는 것을 확인할 수 있었다. 인장(tensile)된 표면은 양의 전압을, 압축된(compressive) 표면은 음의 전압을 각각 나타내는 것을 확인할 수 있었다.

압전 효과에 의해 생성된 전압과 전류가 외부 전자 시스템을 제동시킬 수 있었다. 따라서 힘과 압력에 의한 영향이 감지될 수 있었다. 제동기와 센서 간의 응답 시간은 10ms 정도였다. PFW 사이의 전압 수명은 100초 정도였는데, 이 정도의 시간이면 와이어를 통하여 전류를 이동시키기 위한 gate 역할을 하기에 충분한 시간이다. 따라서 연구팀은 이를 이용한 PE-FET 소자도 제작 가능할 것으로 내다보고 있다.

UCLA 의과대학의 Owen Witte 박사 연구팀은 새로운 [18F]-labeled 2`-deoxycytidine과 PET (positron emission tomography)을 사용하여 림프 절 기관들과 면역 활성화를 이미지화하는 연구 결과를 `Nature Medicine` 최신호에 보고하였다 (2008, 14:783).

생체에서 면역 시스템을 이미지화하는 것은 선천성과 후천성 면역의 시공간적 프로그램화로 정의할 수 있다. PET는 PER (positron-emitting radioisotopes)을 사용하는 생물학적 과정들의 비 침투성, 정량적, 모형학적 조사를 가능하게 해주는 이미지화 시스템이다. 생쥐를 이용한 시스템에서 PET 영상은 면역 반응을 이미지화하는데 유용하고 항암 반응을 보이는 T 림프구 반응은 PET 리포터 유전자 이미지에 의해 관찰할 수 있다. 자가 면역에 의한 신경수초 손상을 보이는 생쥐 모델에서 18fluorodeoxyglucose ([18F]FDG) PET은 질병의 발생과 면역 억제 치료법의 효과를 영상화할 수 있다 (PNAS 2007, 104:1937). 그러나 [18F]FDG이 심장, 뇌 와 간에서 축적이 되는 현상으로 인하여 새로운 PET 표적이 필요한 실정이다.

연구팀은 deoxyribonucleotide 제거 기작 과정을 통해 [18F]FAC (1-(2`-deoxy-2`-[18F]fluoroarabinofuranosyl) cytosine)을 새로운 PET 표적으로 동정해 냈다. 연구팀은[18F]FAC을 이용하여 림프 절 기관을 이미지화 할 수 있었고 항암 면역 생쥐 모델에서 면역 활성화의 위치를 민감도를 갖고 관찰해 냈다. 또한 연구팀은 [18F]FAC microPET을 통해서도 전신 자가 면역 질환에서 림프절의 초기 변화를 관찰했고 면역 억제제를 이용한 치료의 효과를 평가할 수 있었다. 이러한 결과는 [18F]FAC PET를 이용하여 면역 반응의 변화를 관찰하고 면역 질환과 일정한 암 치료에서 임상적으로 응용하는데 도움을 줄 수 있을 것으로 전망된다.

분자 이미지 기술을 이용하여 면역 작용을 관찰하는 것은 면역 질환들의 진단과 면역 치료 반응들의 치료효과를 평가하는데 중요한 영향을 미칠 수 있다. PET는 암을 비롯한 다양한 질병에서 분자 이미지 기술을 이용하여 질병이나 치료의 효과를 이미지화하는 기술이다. 그러나 면역 작용에 관한 PET 기술의 활용은 적당한 표적의 부족으로 그 기술 활용에서 한계성을 갖고 있었다. 이번 연구 결과는[18F]FAC를 사용함으로 면역 작용과 치료 효과를 이미지화하는 것이 가능하며 이 분야의 연구와 임상 치료법 개발에서 중요한 의미를 갖는 물질을 개발했다고 평가할 수 있다.

준영이, "형아, 얼마나 남았나?"


준원이, "아껴 먹자.."