당뇨병 정밀 진단 형광물질
당뇨병 정밀 진단 형광물질
  • 함예솔
  • 승인 2020.02.29 23:55
  • 조회수 3302
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요약

 

당뇨병 정밀진단을 위한 형광물질이 발견됐습니다. 연구진은 비침습적으로 베타세포를 시각화하고 건강한 베타세포의 질량을 측정할 수 있는 도구를 개발했습니다. 인슐린과 반응성이 높은 후보물질을 선별하고 이들 화합물에 불소 원소를 도입했습니다. 이후 인슐린과 높은 반응성을 보인 6개의 불소 도입 화합물에 대해 생체 내 췌장섬 선택성 실험을 진행했습니다. 그 결과 PiF가 췌장섬 중에서도 베타세포에서만 선택성이 보임을 확인했습니다.

당뇨병 발병 및 진행을 빠르고 정확하게 진단할 수 있는 기술이 나왔습니다. 기초과학연구원(IBS) 복잡계 자기조립 연구단 장영태 부연구단장(포항공대 화학과 교수) 연구팀은 국내외 공동 연구를 통해 당뇨병 정밀 진단과 조직 검사에 모두 쓰일 수 있는 새로운 형광물질 파이에프(PiF‧Pancreatic islet Fluorinated probe)를 개발했습니다. 해당 연구는 <JACS>에 게재됐습니다. 

 

당뇨병 진단, 혈액·췌장 베타세포로 정확한 진단 한계

 

당뇨병 진단은 혈액 속 포도당(혈당)의 농도를 측정하는 것이 일반적입니다. 그러나 여러 복합적 요인이 작용하는 당뇨병에서 혈당 정보 하나만으로 병의 진행 상태를 면밀히 파악하기가 어렵습니다. 인슐린 분비를 담당하는 췌장 베타세포의 건강 상태를 직접 측정할 수 있다면 보다 정확한 진단이 가능합니다. 

 

지금까지는 외과적으로 췌장을 조금 떼어내 분석하는 방법이 유일했습니다. 하지만 외과적 방식을 반복 수행할 수 없고 췌장에 불균일하게 분포하는 췌장섬을 모두 찾아내 그 양을 빠르게 측정하기 힘들다는 한계가 있었습니다. 또한 병 진행에 따라 시시각각 달라지는 베타세포의 양을 1~2일이 소요되는 분석 기술로 파악하기도 어려웠습니다.

  • 췌장섬

췌장 세포가 모여 섬처럼 보이는 세포 클러스터(덩어리)로 랑게르한스섬(Langeshans Islet)으로도 불립니다. 베타세포가 알파세포를 비롯한 여러 세포들과 모여 이루는 하나의 내분비 조직으로 인슐린이나 글루카곤 같은 호르몬을 분비해 체내 혈당을 조절합니다.

베타세포 선별적으로 탐지하는 기술

PiF를 주입한 뒤 촬영한 생체 외 이미지. 출처: IBS
PiF를 주입한 뒤 촬영한 생체 외 이미지. 출처: IBS

연구진은 비침습적으로 베타세포를 시각화하고 건강한 베타세포의 질량을 측정할 수 있는 도구를 개발했습니다. 우선 연구진은 췌장 베타세포에서 분비되는 인슐린과 결합하면 형광을 내는 화합물들을 선별했습니다. 이후 양전자단층촬영(PET) 조영제로 사용할 수 있도록 후보 화합물에 불소(F) 원자를 미리 도입한 뒤 췌장 베타세포만 특이적으로 탐지하는 PiF를 최종 선별했습니다.

  • 양전자방출단층촬영(Positron Emission Tomography‧PET)

양전자를 방출하는 방사성 동위원소를 결합한 의약품을 체내에 주입한 뒤, 이를 추적하여 체내 분포를 알아보는 방법입니다. 사용하는 조영제에 따라 인체의 여러 대사를 확인할 수 있으며 포도당 대사를 영상화할 때는 불소-18을 사용합니다.

이후 베타세포 파괴를 유도한 제1형 당뇨병 모델 생쥐의 꼬리로 PiF를 주사했습니다. 주사 2시간 이후 광학 현미경으로 관찰한 결과 PiF가 췌장 베타세포만을 선택적으로 탐지함을 확인했습니다. 조직을 채취해 항체를 붙이는 등 복잡한 절차와 하루 이상의 시간이 필요했던 기존 조직 검사에 비해 처리 시간을 대폭 단축한 겁니다. 더 많은 인슐린과 결합할수록 형광이 세지기 때문에 형광의 세기를 토대로 건강한 췌장 베타세포의 양까지도 확인할 수 있었습니다.

정상쥐와 당뇨쥐의 생체 내 이미지. 출처: IBS
정상쥐와 당뇨쥐의 생체 내 이미지. 출처: IBS

인슐린으로 혈당조절이 불가능한 당뇨병 환자들은 최후의 수단으로 췌장섬을 이식하는 치료를 진행하는데 PiF를 사용하면 이식 성공 여부도 관찰할 수 있습니다. 연구진은 쥐에서 분리된 1,000개의 췌장섬을 생쥐의 간문맥으로 이식하고 다음날 PiF를 주사했습니다. 분석 결과 췌장섬을 이식한 쥐의 PiF 형광신호가 이식을 받지 않은 쥐의 간보다 현저히 높게 관찰됐습니다. 형광신호를 토대로 이식된 췌장섬이 원래 조직에 정상적으로 정착하고 기능하는지를 검사할 수 있다는 의미입니다.

췌장섬 이식 후 PiF를 이용한 형광 이미징. 출처: IBS
췌장섬 이식 후 PiF를 이용한 형광 이미징. 출처: IBS

이후 연구진은 PiF의 PET 조영제로서의 효능 역시 동물실험으로 확인했습니다. PiF에 도입된 불소 원자를 방사성을 가진 동위원소(불소-18)로 치환한 뒤 실험쥐에 투여했습니다. 동위원소는 원자의 무게만 다를 뿐 화학적 성질은 거의 동일하므로 베타세포에 대한 높은 선택성을 가진 PiF의 특성이 PET 영상에도 그대로 반영됩니다.

췌장섬을 이식받은 쥐의 베타세포 측정실험. 출처: IBS
췌장섬을 이식받은 쥐의 베타세포 측정실험. 출처: IBS

PET 분석 결과, PiF가 췌장에 뚜렷하게 분포하는 모습이 관찰됐습니다. PiF는 30분 만에 췌장에 도달해 가장 높은 흡수 상태를 나타냈습니다. 대부분 60분 이후 빠르게 몸 밖으로 빠져나갔습니다. 조영제로 사용해 환자를 진단할 때 부작용 가능성이 적다는 의미입니다. 

PiF를 이용한 PET/CT 이미지. 출처:IBS
PiF를 이용한 PET/CT 이미지. 출처:IBS
장영대 부연구단장. 출처: IBS
장영대 부연구단장. 출처: IBS

 

 

 

장영태 부연구단장은 "PiF는 광학 및 PET 영상화가 모두 가능한 이중방식으로 베타세포를 탐지할 수 있는 최초의 형광 화합물"이라며 "당뇨병 발병 여부 및 조기 진단이 가능한 임상도구로 활용될 것으로 기대한다"고 말했습니다.

 

 

 

 


##참고자료##

 


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