08 분자영상 - 1. 분자영상 개론, 3. 분자영상의 실제

1. 분자영상 개론

 

 1) 분자영상이란

▶ 분자영상은 형태학적 변화에 관심을 갖는 지금까지의 의료 영상과는 달리, 분자 수준의 생명현상 정보를 생체 내에서 반복적으로 평가할 수 있게 함으로써 진단과 치료에 일대 혁신을 일으키고 있다.

 다시 말해서, 분자영상은 현미경으로 세포의 생물학적 변화를 관찰하듯 살아 있는 몸 안에서 일어나는 생화학적 반응을 영상화 및 정량화하고 평가하는 새로운 분야로 정의된다.

 

 2) 분자영상의 구성요소

▶ 분자영상의 주요 구성요소는 관심 분자를 선택적으로 표적하는 추적자와 그 위치를 정확히 검출하는 영상장비이다.

 

▶ 방사성추적자는 극미량만 투여하여 생물학적 영향이 없고 검출 예민도가 높으며, 방사선의 투과력이 광학영상에 비해 높아 크기가 큰 동물이나 사람에 적용할 수 있다.

 단점으로는 표적에 결합한 추적자와 배후에 남은 추적자의 신호를 구별할 수 없어 표적 대 배후 신호비가 높아질 때까지 기다린 후 촬영해야 한다는 점이 있다. 또 방사성동위원소의 물리적 반감기로 인해 사용 때마다 합성해야 하고, 일부 PET용 추적자의 경우 물리적 반감기가 매우 짧아 사용 직전에 직접 합성해야 하기도 한다.

 

▶ 이상적인 분자영상용 추적자는 표적 접근이 수월하고, 친화도 및 특이도가 높으며, 혈중 제거율이 적당하고, 체내 대사가 적으며, 배설 경로가 관심 부위 시야에 지장을 주지 않아야 한다.

 

 3) 분자영상의 현재와 미래

 

3. 분자영상의 실제

 

 1) 핵의학 리포터 영상

 (1) 리포터 유전자 영상법의 기본원리

▶ 리포터 유전자(reporter gene)란 발현 여부에 대한 정보를 제공하여 어떤 방법으로든 모니터할 수 있는 유전자로서 분자 생물학자들에 의해 유전자의 발현을 모니터하기 위한 목적으로 오랜 기간 이용되어 왔다.

 하지만 이들 리포터 유전자의 발현여부를 알기 위해서는 발현된 조직을 적출하거나 혈액을 채취해야 하는 번거로움이 있고, 반복 검사가 힘들거나, 발현된 세포나 조직의 위치, 발현 기간, 발현 강도 등을 생명체 내에서 종합적으로 모니터하는데 한계가 있다.

 

▶ 핵의학적 영상방법은 특유의 높은 예민도를 고려해 볼 때 유전적 정보의 위치, 발현 기간, 발현 강도를 모니터할 적절한 영상방법으로 위에서 설명한 여러 제한점들을 해결해 줄 것으로 기대되어 꾸준히 연구되어 왔다. 핵의학적 방법에서는 리포터 프로브(reporter probe)와 반응할 효소 또는 수용체를 리포터 유전자(reporter gene)로 이용한다.

 

 (3) PET/SPECT 영상용 리포터 유전자

① Cytosine deaminase 리포터 유전자

 : 6-[3H]-5-fluorocytosine은 세포 내에서 매우 느린 속도로 섭취되고 배설되므로 리포터 프로브로 적합하지 않을 것으로 생각된다.

 

② Herpes simplex virus type-1 thymidine kinase 리포터 유전자

 : HSV1-TK에 반응하는 기질로서 최근 리포터 유전자 발현 영상의 프로브는 크게 두 가지, 즉 thymidine 계열(FIAU)과 acyclogunosine 계열([18F]FHBG)로 나눌 수 있다. 이 리포터 프로브가 HSV1-TK가 발현되어 있는 세포 내로 섭취되면 효소에 의해 인산화되어 세포 내에 포획된다.

- FIAU는 [131I]또는 [124I]로 방사성 표지하여 사용할 수 있는데, HSV1-TK가 발현된 세포에 특이적으로 축적되어 임상적으로 이용이 가능할 것으로 예측되어 왔다. 최근에는 신경교종 환자의 종양세포에 HSV1-tk 플라스미드를 리포좀 매개에 의해 전달하고 [124I]FIAU로 영상화하는데 성공하였다. FIAU는 acycloguanosine derivatives 계열의 프로브에 비하여 HSV1-TK 발현세포에 더 강하게 섭취되는 것으로 알려지고 있으나, 포유세포의 TK와도 비특이적으로 반응하는 것으로 알려져 있다.

- Acycloguanosine 계열의 프로브는 최근에는 PCV의 곁사슬에 [18F]을 표지한 [18F]FHBG가 가장 높은 섭취를 보였다.

 

③ 도파민-2 수용체 리포터 유전자

 : 이 시스템의 문제점으로는 인위적으로 발현된 수용체가 생명체 내의 도파민 등의 리간드와 결합하여 세포 내에 그 작용 효과를 일으킬 수 있다는 점이다 최근 이 문제를 해결하기 위해 리간드와 반응하지만 그 신호가 핵으로까지 전달되지 않는 돌연변이 수용체를 개발하였다.

 

④ Human type 2 somatostatin receptor (hSSTR2) 리포터 유전자

 

⑤ Sodium/Iodine symporter 리포터 유전자

 : 갑상선에 요오드의 이동 톨로로 알려진 sodium/iodide symporter (NIS)를 리포터 유전자로 사용하려는 연구가 최근 활발히 이루어지고 있다.

- 이 방법의 장점은 기존의 방사성 요오드(123I, 131I) 또는 99mTc-pertechnetate를 이용하여 손쉽게 영상화 할 수 있다는 점이다. 또 하나의 장점으로는 이 유전자의 발현이 세포의 생화학적 환경에 영향을 미치지 않는다는 점이다. 요오드는 갑상선을 제외한 대부분의 세포에서 대사되지 않으며, NIS 발현으로 인한 세포 내의 소디움의 증가도 세포에 대한 영향이 없는 것으로 알려져 있다.

- 단점으로는 NIS 발현세포 내에 요오드의 저류가 낮고(세포 내 반감기 : 30분), 주입된 요오드의 대부분은 갑상선에 저류(정상갑상선을 지닌 환자에서 주사량의 25%)된다는 점이다.

 

⑥ 그 외의 리포터 유전자

- 인간 노르에피네프린 수용체(human norepinephrine transporter, hNET)를 종양세포에 발현시켰을 때 방사성 요오드 표지 MIBG나 [11C]m-hydroxyephedrine (mHED)가 높은 특이적 섭취와 저류를 보였음을 보고

- 18F-estradiol(FES)을 리포터 프로브로 사용하여 에스트로젠 수용체 리간드결합 도메인(estrogen receptor ligand binding domain, ERL) 발현 기형종을 영상화한 보고

 

 2) 나노영상

 (1) 나노교질

▶ 핵의학에서는 일찌감치 나노물질을 임상에 사용하여 왔다. 99mTc를 표지한 수~수백 nm 크기의 안티모니 교질, 알부민 교질, 황교질 등 교질을 체내에 투여하면 이물질로 인식하여 대식세포에 먹힌다.

- 정맥주사를 하였을 때 크기가 수백 nm 정도이면 간의 쿠포세포에 주로 섭취되어 간스캔으로 활용하며 수십 nm 크기로 필터를 하여 주사하면 골수의 대식세포에 섭취가 상대적으로 많아져서 골수스캔으로 이용한다.

- 피하로 주사를 하면 림프액으로 따라 흐른 뒤 림프절 내 대실세포에 섭취되어 림프신티그라피를 얻을 수 있으며 암 주변에서 주사하여 검사하는 감시림프절 검사는 나노입자가 림프절에 오래 머무르는 특성을 이용한 것이다.

 

 (3) 나노초상자성물질

▶ MRI 조영제로 나노 초상자성체를 개발하여 MRI의 단점인 mM 단위의 민감도를 uM 수준으로 낮추는 연구가 활발하다.

 

▶ 덱스트란으로 코팅된 SPIO인 Feridex®나 Resovist®는 나노입자가 간의 정상적인 망상내피계와 림프절에 섭취가 되는 비특이적인 성질을 이용하여 간암 및 림프절 전이의 영상진단에 이용된다.

 10 nm 이하 크기의 USPIO는 더욱 입자가 작아 간보다는 정상 림프절에서 섭취가 잘되어 혈중 반감기가 길고 주사 후 24~36시간에 MRI 영상을 얻으면 림프절의 전이된 부위에는 섭취가 되지 않아 림프절 전이의 영상진단에 우수하다. 

 입자의 크기가 더욱 작아져서 4 nm 이하가 되면 T1 조영성질로 변한다. 신장기능이 나빠 배설이 잘 안되면 Gd 성분의 T1 조영제가 다발성 장기섬유화의 부작용이 있기 때문에 대체 T1 조영제로 활용 가능성이 있다.

 

▶ 표적조영제로서는 표적세포에 대한 단일 항체를 사용하여 표지자가 발현된 특정 종양의 생체 영상화하는 방법이 있다.

 USPIO의 일종인 10 nm 내외 크기의 WISO (water-solube iron oxide)에 trastuzumab (Herceptin®)을 표지하여 HER2/neu를 발현하는 유방암을 MRI 영상으로 진단하는 방법이 개발되었다.

 

 (5) 나노약물전달과 분자영상

▶ 적절한 나노크기는 암조직 선택적 투과·보유(EPR, enhanced permeability and retention) 효과를 나타내어 혈액 속에서 오래 머물면서 암 등 표적을 찾아가는 성질이 있어 나노약물전달 물질로 개발 중이다.

 리포솜 마이셀 안에 독소루비신을 넣어서 유방암 환자에서 심독성을 줄인 Doxil®은 미국 FDA에서 최초로 공인받아 시판되는 나노약물이다.

 

 3) 세포추적영상(Cell Trafficking Imaging)

▶ 분자영상의 실제 적용 중 중요한 하나가 세포추적영상인데, 이는 특별히 관심이 있는 세포군에 영상시그널을 표지하여 그 세포군의 체내 이동과 증식 및 사멸 여부를 비침습적으로 그리고 시간에 따라 관찰하는 것이다. 분자영상은 세포를 기반으로 하는 치료의 임상 중개에 있어서 중요한 역할을 할 것으로 보인다.

 

▶ 세포치료는 크게 세 분야로 나눌 수 있다.

- 줄기세포치료 : 조직 복구를 위한 세포치료로서 심근경색이나 뇌경색, 뇌행성 신경질환 치료

- 면역세포치료 : 몸의 면역체계를 재프로그래밍하여 질병과 싸우게 하는 방법

- 미생물 기반 세포치료 : 원핵세포인 바이러스나 박테리아를 이용하여 병소에 유전자 또는 약물을 전달하는 치료

 

 (2) 세포추적영상의 방법

① 방사성 동위원소 또는 방사성의약품으로 직접 표지하는 방법

▶ 이 방법은 이식할 세포를 방사성 동위원소 또는 방사성의약품([18F]FDG, 111In-oxine, 99mTc-HMPAO 등)으로 표지한 다음, 이식하고 SPECT 또는 PET로 영상을 얻는 방법이다.

▶ 따라서, 기술적으로는 큰 어려움이 없으나, 세포 이식 후 세포 생존을 모니터링하려는 목적에 만족스럽지 않은 방법이다.

 

② 산화철 또는 양자점, 형광염료 등으로 직접 표지하는 방법

▶ 이식할 세포를 산화철 나노입자와 리포좀 혼합물과 함께 배양하여 산화철로 표지한 다음 이 세포들을 특정 장기에 이식하고 MRI로 모니터링 한다. 양자점 또는 형광염료를 이용할 경우 광학영상으로 영상획득이 가능하다.

▶ 결론적으로, MRI 이용은 실용성이 높은 방법이나 이식세포의 정량적 자료 또는 생존 및 사멸의 정보를 정확히 줄 수 없다는 단점이 있다. 

 

③ 리포터 유전자를 이용한 광학 분자영상법

▶ 이식할 세포에 광학 또는 PET 영상용 리포터 유전자를 체외에서 발현시킨 다음, 이식하고 영상 시점마다 리포터 프로브를 주시하고 영상을 획득하는 방법이다.

▶ 결론적으로 리포터 유전자를 이용하는 방법은 세포의 생존, 분포를 평가하고 정량화하는데 이상적인 방법이나 임상에 적용되는데 다소 시간이 소요될 것으로 보인다.

 

 4) 혈관신생 분자영상

 (1) 방사성 RGD 추적자를 이용한 암 혈관신생 영상 기술

▶ 지금까지 혈관신생 영상을 위해 가장 성공적인 표적은 αvβ3 인테그린이며, αvβ3 인테그린 표적용 추적자로는 이를 결합 모티프로 인식하는 RGD 펩티드가 이용되고 있다.

▶ 물리화학적 특성이 우수한 68Ga를 표지한 NOTA-RGD도 종양 혈관신생 영상에 유용하다.

② 68Ge-68Ga 발생기

 : 68Ga, 반감기 68분, 양전자를 방출하며 붕괴하고 511 keV의 소멸방사선을 방출

 이 발생기는 수시간 후에 최대 수율로 용출을 할 수 있기 때문에 하루에도 여러 번 68Ga을 생산할 수 있다.

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 (3) 68Ga 표지반응

▶ 최근 펩타이드를 이용한 PET 영상이 각광을 받으면서 간편하게 발생기에서 얻을 수 있는 68Ga의 연구 수요가 크게 증가할 것으로 예상된다.

 68Ga은 주기율표상 알루미늄과 같은 족의 금속성 원소로 자체로는 생리활성물질과 결합할 수 없다. 따라서 양기능성 킬레이트제를 먼저 펩타이드에 결합하고 최종적으로 68Ga을 표지하는 방법이 주로 쓰인다. 여기에 사용되는 양기능성 킬레이트제는 DOTA나 NOTA가 있으며 이를 이용한 표지화합물은 소마토스타틴(SST) 수용체의 영상을 얻을 수 있는 octreotide를 표지한 68Ga-DOTA-TOC이 있어 최근 유럽약전에 등재되었고, 신생혈관생성 반응에 필수적인 in-tegrin이라는 물질에 높은 결합친화력을 갖는 것으로 알려져 있는 RGD 유도체를 이용한 68Ga-NOTA-c(RGDyK)가 있다.

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 (2) 암 환자에서 방사성 RGD 혈관신생 분자영상의 임상 이용

▶ 18F-galacto-RGD

 : 사람 몸속에서 안정하며 신장을 통해 배출되어 폐와 근육 섭취가 낮고 피폭선량은 [18F]FDG와 유사하다.

 최근 두경부 암 환자를 대상으로 한 연구에서는 18F-galacto-RGD PET가 높은 대조도의 암 영상을 제공하였다.

▶ 68Ga-NOTA-RGD

 : 첫 68Ga-NOTA-RGD 임상시험에서는 HER2(+) 유방암에는 섭취가 높았지만 triple negative 유방암에는 섭취가 낮았다.

68Ga-NOTA-RGD 이합체를 이용한 연구에서는 뇌종양 환자에서 tumor grade에 비례한 암 섭취를 보였고, 폐암 환자에서는 종격동 임파절 전이 감별에 [18F]FDG보다 정확한 결과를 보였다.

 

 (3) 방사성 RGD 추적자를 이용한 허혈 질환 혈관신생 영상과 임상 이용

▶ 방사성 RGD는 허혈성 병소의 혈관신생 영상에도 이용된다.

▶ 99mTc-NC100692, 111In-quinolone, 68Ga-NOTA-RGD

▶ 심근경색 환자에서 시행된 임상시험에서는 경색 심근에 68Ga-NOTA-RGD 섭취가 증가했다가 추적 검사때는 증상이 남은 환자에서만 섭취가 유지되었다.

▶ 모야모야병 환자의 뇌경색 부위에서도 68Ga-NOTA-RGD 섭취가 증가하였으며 재관류 후 시간이 지날수록 섭취가 감소되었다.

 

 (4) 기타 방사성 추적자를 이용한 혈관신생 영상기술

▶ αvβ3 인테그린 외에 혈관신생 영상용 표적으로 VEGF 수용체도 연구되고 있다.

 

 5) 세포고사 분자영상

 (1) 암질환 세포고사에서 99mTc-AnxA5 분자영상의 임상중개

▶ 지금까지 개발된 세포고사 영상 프로브 중에서는 99mTc-Annexin V (AnxA5)가 가장 많이 연구되었다.

▶ 암 환자에서 세포고사 영상의 중요한 역할은 치료에 대한 조기 반응 평가에 있다. 항암화학 치료 또는 방사선 치료의 효과는 암세포 고사를 통해 일어나기 때문에 형태학적 영상검사를 통한 크기 변화 확인보다는 세포고사 영상이 조기 평가를 예민하게 검출할 수 있다. 또한 [18F]FDG는 세포사멸을 반영하지 못할 뿐 아니라 치료로 인한 염증반응으로 위양성 소견이 가능하기 때문에 99mTc-AnxA5 영상이 치료 효과 평가에 보완적인 역할을 할 수 있다.

 

 (2) 허혈 질환 세포고사와 이식 거부반응에서 99mTc-AnxA5 영상의 임상중개

▶ 세포고사는 허혈 질환의 병태생리에도 중요한 역할을 하므로 이를 영상화하는 기술이 도움이 될 수 있다.

▶ 뇌졸중과 심근경색의 원인이 되는 불안정 경화반(unstable plaque)에도 세포고사가 일어난다. 뇌졸중 환자에서 경동맥의 불안정한 경화반에 99mTc-AnxA5 섭취가 증가함이 관찰되었고, 급성 뇌졸중 환자에서는 허혈 손상 부위에 99mTc-AnxA5 섭취가 증가하였다는 보고가 있다.

 

 (3) 기타 방사성 추적자 세포고사 영상의 임상중개

▶ 99mTc-AnxA5 세포고사 영상이 고무적인 임상연구 결과를 보이고 있지만, PET 기술이 아니라는 점과 고사와 괴사를 완전히 구별하지 못하는 경우가 있다는 단점이 있다. 이에, 세포고사 PET 영상기술을 개발하기 위한 노력이 계속되고 있다.

▶ 급성 뇌졸중 후 18F-ML-10이 경색 부위에 섭취되었다는 2상 임상시험과, 방사성 치료를 받은 뇌암의 18F-ML-10 섭취가 치료 효과와 잘 맞았다는 임상연구가 있다.

 

 6) 항체 이용 분자영상(Anibody Based Molecular Imaging)

▶ 표적치료제로서 EGFR, VEGF, HER2, CD20 등 바이오마커를 표적으로 하는 항체 치료제가 속속 개발되고 일부는 임상에서 사용하고 있다.

 

 (1) 항체영상과 항체공학(Antibody engineering)

▶ CEA-scan (99mTc-arcitumomab), ProstaScint (99mTc-capromab) 등 감마카메라를 이용한 진단용 항체영상제가 미국 FDA 승인을 1990년대 중반에 받았지만 널리 쓰이지 않고 있다.

 이는 항체가 체내에서 빨리 배설되지 않고 오랫동안 혈중에 머물면서 표적 대 배후비가 낮아 진단 성능이 떨어지기 때문이다. 이를 개선하기 위해 2단계 추적(protargeting), 항체의 크기를 공학적으로 줄이거나 원래 작은 항체나 인공적 삼차원 구조를 이용하기도 하며 긴 반감기의 방사성동위원소를 이용하거나 장시간 체내에서 추적할 수 있는 형광, 자성물질을 이용하는 등 다양한 전략이 있다.

▶ 2단계 추적

 : 2단계 추적 방법은 상호 결합력이 강한 아비딘-바이오틴(avidin-biotin) 등을 이용한다. 아비딘이 표지된 항체를 먼저 체내에 투여한 후 혈중의 항체가 배설되는 충분한 시간이 지난 뒤 방사성 동위원소가 표지된 바이오틴을 투여하여 표적 대 배경비를 높인다. 그러나 아이딘은 면역반응을 유발시켜 반복적인 투여가 어렵고 바이오틴은 체내에 존재하여 방사성 동위원소 표지 바이오틴 결합을 방해하는 단점이 있다.

▶ HER2를 표적으로 하는 항체치료제 trastuzumab (Herceptin®)에 89Zr을 표지하여 전이성 유방암 환자에서 PET 영상을 얻었을 때 주사 후 4~5일째 촬영한 영상이 가장 종양섭취 대비 혈액섭취가 가장 좋았다. 원발암과 전이암의 바이오마커의 발현이 다른 경우가 있어 치료계획에 치료용 항체를 이용한 전신영상이 중요하다. 원발부위 HER2가 음성인 유방암환자에서 89Zr-trastuzumab PET 영상에서 전이암에서 양성으로 나오기도 한다. 89Zr-trastuzumab PET 영상은 또한 trastzumab에 항암제 DM-1을 표지한 TDM-1 항체 약물 복합체(antibody-drug conjugate, ACD)의 치료 효과를 예측하였다.

▶ 항체영상은 진단목적뿐만 아니라 치료용 방사성동위원소 표지항체의 방사성 흡수량을 측정하기 위해 사용하기도 한다. B 세포의 표면에 발현되는 CD20 항원에 대한 항체에 방사성동위원소를 표지하여 비호지킨씨 림프종을 치료하는 Zevalin (90Y-ibritumomab)을 환자에 투여하기 전에 111In-ibritumomab의 영상을 얻어 방사성 흡수량을 측정한다.

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