05. 방사약학 - 4. 양전자방출핵종 표지 방사성의약품

4. 양전자방출핵종 표지 방사성의약품

양전자방출핵종 표지 방사성의약품의 초기 연구는 주로 사이클로트론에서 생산된 방사성동위원소인 11C으로 표지된 화합물로 이루어졌으며, 1978년 [18F] FDG의 합성이 처음 보고됨에 따라 18F으로 표지된 화합물들에 대한 연구가 활발하게 진행되었다. 최근에는 68Ge-68Ga 발생기를 이용하여 얻을 수 있는 양전자 방출 핵종인 68Ga이 상용화되어 여러 가지 펩타이드에 표지하고 영상을 얻는 연구가 활발히 진행 중이다.

 

양전자방출핵종은 양성자 하나가 양전자를 방출하여 중성자 하나로 변하며 중성자/양성자 비율이 증가하여 더 안정한 원자로 변하게 된다. 이때 방출된 양전자는 가지고 있는 운동에너지를 모두 잃어갈 때쯤 주변의 전자를 만나 함께 소면(annihilation)하면서 511 keV의 감마선 2개가 정반대 방향으로 방출하게 되는데 이 감마선을 포착할 수 있는 PET 장비 등을 이용하여 영상을 만들 수 있다.

 

1) 양전자방출핵종의 종류 및 특성

수많은 양전자 방출 핵종 중에 체내 사용에 적당한 성질을 가진 핵종으로는 사이클로트론에서 생산되는 11C, 13N, 15O, 18F, 64Cu, 76Br, 94mTc, 124I 등이 있으며 발생기에서 생산할 수 있는 68Ga, 82Rb 등이 있다.

 

11C, 14N, 15O은 짧은 반감기 때문에 주로 사이클로트론이 있는 곳에서만 사용이 가능하며, 또한 자연에 존재하는 각각의 원소와 질량수만 차이가 있으므로 자연에 있는 생리활성이 있는 화합물과 동일한 방사성의약품을 얻을 수 있는 장점이 있다. 반면에 18F은 반감기 110분으로 비교적 긴 반감기를 갖기 때문에 18F으로 표지된 방사성의약품을 가까운 거리에 있는 다른 센터로 운반이 가능하다.

 

3) 양전자방출 방사성의약품의 종류

(1) 뇌 영상용 PET 방사성의약품

① 뇌혈류 및 대사영상

초기 뇌의 PET 연구를 위한 방사성의약품은 주로 뇌혈류량과 뇌의 에너지 대사를 측정하는 것들이었다. [11C]Glucose와 [18F]FDG는 국소뇌당대사량의 측정에 쓰였고, [15O]산소는 주로 국소산소대사량의 측정에 쓰였다. 또한 국소뇌혈액량의 측정에는 [15O]일산화탄소, [11C]일산화탄소 등이 쓰이며, [15O]물, [15O]이산화탄소 등은 국소뇌혈류량의 추적자로 쓰였다. 이후 국소뇌혈류량의 측정을 위한 [13N]암모니아, [15O]부탄올, [11C]부탄올과 [18F]fluoromethane 등이 개발되었으며 초기의 방사성의약품과 함께 사용되고 있다.

 

② 뇌 신경전달물질계의 영상

뇌의 주요 신경전달물질계는 크게 도파민(dopamine)계, 아편(opiate)계, 세로토닌(serotonie)계, 벤조디아제핀(benzodiazepine)계와 콜린(cholinergic)계 등의 5가지로 나눌 수 있다.

 

가. 도파민계

뇌의 도파민계는 임상 뇌과학 분야에서 가장 중요한 분야이다. 도파민은 대표적인 신경전달물질로 행동, 인지, 동기 부여 등의 조절에 쓰이는 물질이다.

(가) 도파민 대사 영상

도파민계의 기능을 영상화하는 대표적인 양전자방출 방사성의약품은 [18F]FDOPA로 이를 이용하여 반파킨슨증 환자에서 선조체에 섭취가 감소하며 나이가 들수록 흑질 선조체의 기능이 감소되었음이 관찰되었고, [18F]Fluorotyrosine으로는 시냅스전 도파민 기능이 평가되고 있다.

(나) 도파민 수용체 영상

PET을 이용한 도파민 수용체의 영상은 정신분열병, 조울병, 파킨슨병, 헌팅톤병과 같은 신경정신질환에서 이루어진다.

 

③ 베타아밀로이드 영상

알츠하이머병은 인지능력저하, 비가역적 기억 상실, 방향감각 상실, 언어 장애 등과 같은 임상적인 증상으로 진단할 수 있다. 그러나 조기에 더 정확한 진단을 위해서는 PET과 같은 영상법을 이용할 필요가 있다.

PET으로 알츠하이머병의 진단은 전통적으로 [18F]FDG를 이용하여 두정엽 부위에 포도당 대사가 감소하는 것을 보고 진단하였다. 그러나 최근에는 뇌 속에 형성된 베타아밀로이드 플라크를 영상화함으로써 정확한 진단을 할 수 있게 되었다.

지금까지 베타아밀로이드 영상을 위한 다양한 방사성의약품이 개발되었으며 그중에 주로 쓰이는 양성자방출핵종으로는 11C와 18F이다. 대표적인 베타아밀로이드 영상을 위한 양전자 방출 방사성의약품은 [11C]PIB와 [18F]FDDNP이다. [11C]PIB는 베타아밀로이드 단백질 염색에 사용되어 왔던 티오플라빈 T 유도체와 강한 결합을 보이고, 두뇌 섭취 및 제거가 빨라 현재 개발된 베타아밀로이드 영상 제제 중 가장 높은 섭취/제거 비율을 나타낸다. 최근까지 실시된 대규모 임상시험에서 일반인의 뇌에 비하여 초기 알츠하이머 환자의 뇌에 [11C]PIB가 50~90% 이상 높게 섭취된다는 보고가 있다. [18F]FDDNP는 두뇌의 섭취/제거 비율이 낮아 그 사용이 제한되었으나 최근 베타아밀로이드 뿐만 아니라 타우 단백질에도 결합력을 갖는다는 보고가 있어 향후 더 깊은 연구가 필요한 상태이다.

 

(2) 심장 영상용 PET 방사성의약품

PET용 방사성의약품은 심근기능평가에 유용하여 주로 혈류와 당 혹은 지방산 등 대사기능을 비침습적으로 평가, 측정이 가능하다. 뿐만 아니라 자율신경계 기능 평가에도 유용할 것으로 보고되었다.

① 국소심근혈류

② 심근 대사 영상

심근세포의 대사는 동맥 내 물질 농도와 호르몬 농도에 이하여 좌우된다. 밤새 공복이었을 때는 혈액 내 유리지방산 농도가 높고 포도당 농도가 낮다. 지방산 농도가 높을 때는 지방산을 주로 에너지원으로 이용한다. 식후 혈중 포도당 농도가 높아지고 인슐린 농도가 높을 때는 포도당을 주 에너지원으로 쓴다.

③ 심장교감신경 영상

 

(3) 종양 영상용 PET 방사성의약품

① 대사 영상

가. 포도당 대사 영상

포도당은 세포의 주 에너지원이며, 정상조직에 비하여 종양에서는 포도당의 이용이 증가되어 있다. 포도당의 유사체인 [18F]FDG가 개발된 이후 현재까지 종양 영상에 가장 널리 사용되고 있으며, 특히 폐암, 유방암, 대장암, 림프종, 갑상선암 및 원발성 뇌종양 진단에 유용성이 있다고 알려져 있다.

나. 단백질 합성 영상

아미노산은 정상 조직에는 섭취가 낮아 [18F]FDG보다 더 우수한 대조를 보이므로 뇌종양 영상에 특히 유용하다. L-[methyl-11C]methionine은 합성이 간단하고 종양으로 빨리 섭취되며 혈액과 다른 조직으로부터 빨리 제거되므로 널리 사용되고 있다.

다. DNA 합성 영상

② 수용체 영상

③ 항암제를 이용한 영상