방사성 동위원소와 PET-CT를 활용한 암 조기진단

✔️ 안녕하세요, 메디컬학과를 꿈꾸는 학생이라면 반드시 참고해야하는, 고품격 세특 심화탐구 전문 메디컬저널입니다.

암 조기진단의 중요성, 국가 암 검진사업

✔️ 오랜 기간 동안 국내 사망 원인 부동의 1위를 차지하는 만큼, 암은 특히나 국가적으로는 물론 산학계의 연구 개발 역량이 집중되는 분야라 할 수 있습니다. 그렇기 때문에 의약학 진로를 희망하는 학생들의 경우 암에 대한 심도있는 탐구로 세특을 채워나가는 것은 합리적인 선택이라 할 수 있습니다. 그러한 이유로 메디컬저널에서는 암에 대한 다양한 측면을 교과 내용과 연계해 소개해드리려 합니다.

❗️이전 콘텐츠들에서는 암의 치료적 관점에서 탐구를 수행해보았습니다. 그런데 암의 경우 치료만큼이나 혹은 그 이상으로 중요성을 가지는 것이 조기검진이라는 것을 아마 들어보신 적이 있으실 것입니다.

특히 한국인에게서 흔하게 발생하는 위암, 대장암, 간암, 유방암, 자궁경부암은 비교적 쉽게 검진이 가능하며 조기에 발견할 경우 치료 효과가 증대되어 사망률을 낮추고 생존률을 크게 높일 수 있습니다. 세계보건기구(WHO)는 암 발생 인구 중 1/3은 조기 검진과 치료에 의해 완치될 것이라 보고하고 있습니다.

❗️암 조기검진은 암으로 인한 개인 및 가족의 고통과 경제적 부담을 크게 감소시킬 뿐 아니라 암이 전체 건강보험 지출 중 큰 비율을 차지하고 있다는 점에서, 암을 조기에 발견하고 적은 비용으로 치료하는 것은 사회경제적 비용을 감소시키는 것이라 할 수 있습니다.

그러한 이유로 우리나라에서는 국가암검진사업을 통해 우리나라에서 흔하게 발생하는 위암, 대장암, 유방암, 자궁경부암, 간암, 폐암에 대해 국가암검진을 시행하고 있으며 암종별 대상자와 검진주기 및 방법을 정하여 그 비용을 지원하고 있습니다.

* 참고문헌

국가암검진사업 > 국가암관리사업 소개 > 국가암관리사업 | 국립암센터

국가암검진사업 Home 국가암관리사업 국가암관리사업 소개 국가암검진사업 국가암검진 지원 사업 (1) 사업목적 국가암검진 사업 지원을 통하여 우리나라 국민의 사망원인 1위인 암을 조기에 발견하여 치료를 유도함으로써 암의 치료율을 높이고 암으로 인한 사망을 줄이는 것을 목적으로 함 (2) 사업배경 및 필요성 세계보건기구는 의학적인 관점에서 암 발생인구의 약 1/3은 암을 조기에 발견하여 치료할 경우 완치가 가능한 것으로 보고하고 있음 미국, 영국, 일본 등 선진 외국의 경우, 암으로 인한 사망을 줄이기 위하여 암 검진사업을 실시하고 있...

우리나라의 암 현황 - 암과 우리사회 - 암정보교육관 - 서울대학교 암연구소

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⭐️ 이번 탐구에서는 암 진단의 신기술을 화학1 교과 내용인 '동위원소'와 연계하여 살펴보도록 하겠습니다.

✔️ 암은 오랜 기간 동안 국내 사망 원인 1위를 차지해 온 난치성 질병이라는 점에서 암의 예방과 진단 그리고 치료법에 대한 연구에 많은 연구진들의 시간과 노력이 투입되어 왔다. 물론 그러한 과정에서 큰 지식적, 기술적 진전이 있어 왔으나, 그럼에도 여전히 암은 인류가 완전히 극복하지 못한 대표적 난치병 혹은 불치병으로 꼽힌다. 지난 방사선 항암치료의 탐구를 통해 전형적인 암 치료 방식들과 양성자 치료 등의 첨단 방사선 치료를 정리해 보았다. 물론 암을 극복하기 위해 첨단 방사선 치료(양성자, 중입자 치료기), 3~4세대 화학 항암제 등 현대 최첨단 과학이 적용된 정밀한 암 치료 전략을 개발하는 것은 암을 치료해내고 암 환자의 삶의 질을 개선하는데 핵심이 되지만, 그에 못지 않게 암을 조기에 진단하는 것의 중요성은 모두가 인지하고 있는 사실일 것이다.

암은 1~4기로 분류되며 최대한 빠른 시기에, 특히 다른 조직으로의 전이가 일어나기 전에 진단하는 것이 암 치료의 예후(암치료 효과, 생존률)를 결정하는 중요 인자가 된다고 할 수 있다. 그렇다면, 암 진단의 분야에서는 어떠한 최신 기술들이 있으며 우리가 교과 중 배우는 내용과 어떤 관련이 있을까? 의약계열을 진로로 희망하는 학생으로서 미래에 인류가 암을 극복해내는데 일조하고 싶다는 열정, 동기와 함께 탐구를 수행해 보았다.

원자의 구조와 동위원소 (화학1)

✔️ 원자의 구조에 대해서는 기타 화학 탐구들에서 수차례 정리한 적이 있기 때문에 간단히 정리하도록 하겠습니다. 원자는 중심의 원자핵과 그 주변의 전자로 이루어져 있습니다. 또한 원자핵은 양성자와 중성자로 이루어집니다. 원자를 구성하는 입자인 양성자, 중성자, 전자는 '질량'과 '전하량'이 중요한 입자 성질이 되며, 위 표와 같이 정리할 수 있습니다.

❗️특히 양성자 수는 '원자 번호'를 결정하기 때문에, 양성자 수가 같으면 같은종의 원자라 할 수 있습니다. 반면 원자의 질량(질량수)은 양성자와 중성자 질량의 합으로 결정되므로(질량수=양성자수+중성자수) 양성자 수가 같아 같은 종의 원소이지만 중성자의 수가 달라 질량수가 서로 다른 원소들은 '동위원소'로 정의됩니다.

안정 동위원소와 방사성 동위원소

✔️ 양성자 수가 같은 동일한 원자 번호의 원자 종이더라도 중성자 수가 달라져 질량수가 서로 다른 동위원소들이 존재할 수 있습니다. 따라서 중성자 수의 경우의수에 따라 동위원소의 종류 가짓수가 결정되는데, 이때 원자의 안정성 관점에서 가질 수 있는 중성자의 수는 제한되어 있으므로 실제로 지구상에 존재하는 동위원소의 수는 339종으로 알려져 있습니다. 동위원소는 그 안정성에 따라 '안정 동위원소(Stable isotope)'와 '방사성 동위원소(Radioisotope)'로 분류됩니다.

① 안정성 동위원소(Stable isotope)

자연 상태의 모든 물질들은 에너지가 낮은, 즉 안정된 상태를 선호합니다. 불안정한 상태의 물질은 자발적으로 에너지를 방출하며 안정된 상태로 변화하려는 경향을 가집니다. 원자의 안정성은 핵의 안정성을 의미하며 이는 핵물리학에 따라 양성자와 중성자의 개수비에 의해 결정됩니다.

\즉 안정 동위원소란 원자핵이 그 상태로서 안정적이며 변화할 필요성이 적거나 없는 동위원소를 의미하며, 수학적으로는 반감기가 매우 긴 동위원소를 의미하는 것입니다. 동위원소의 가짓수가 실제로 지구상에 무한히 존재할 수 없는 것이 바로 이러한 이유 때문이며, 지구상에 존재하는 339개의 동위원소 중 253개가 안정 동위원소에 해당합니다.

핵물리학의 발견에 따르면 원자핵은 양성자의 수와 중성자의 수가 1:1로 같을 때 가장 안정하며 따라서 안정동위원소의 대부분은 양성자와 중성자의 수가 같은 동위원소이며 이들이 자연계 원소의 대부분을 차지하는 것입니다.

물론 양성자 수와 중성자 수가 같을 때에만 안정 동위원소인 것은 아니며, 대표적으로 탄소의 경우 질량수 13의 13C (양성자6개, 중성자7개)는 12C보다 불안정하지만 안정성 동위원소로서 적은 비율로 자연계에 존재하고 있습니다. 자연계에 존재하는 안정성 동위원소의 예시와 그 비율은 아래 표와 같습니다.

❗️ 안정성 동위원소를 의약학적으로 활용한 예시로는 '동위원소 희석 질량분석법을 활용한 신약 연구개발'을 들 수 있습니다.

⭐️ 동위원소 희석법에서 방사성 동위원소 대신 안정성 동위원소를 사용하는 이유는
① 기본적으로 '질량분석'의 방식은 방사선을 검출하는 것이 아닌 질량의 차이를 구분하는 것이므로 방사성 동위원소를 사용할 필요가 없으며

② 또한 우리가 첨가한 동위원소 A와, 시료에 존재하는 동위원소 B 사이의 비율을 통해 시료 농도를 분석하는 동위원소 분석법의 원리에 따라 동위원소 A는 시료와 혼합 전후에 붕괴되거나 사라져서는 안되며 따라서 안정한 안정성 동위원소를 사용하는 것이 적합합니다.

② 방사성 동위원소(Radioisotope)

안정성 동위원소의 반대가 되는 것이 방사성동위원소(Radioisotope)로서, 이들은 안정성 동위원소와는 달리 핵이 불안정해 빠르게 붕괴하며 그 과정에서 높은 에너지의 방사선을 방출하는 특성을 가집니다.

이들은 매우 짧은 반감기를 가지기 때문에 자연 상태에서 금방 붕괴되어 안정한 상태의 핵으로 전환됩니다. 모든 원소들은 방사성동위원소를 가지는데, 지구상에 대부분이 존재하지 않는 이유는 빠르게 붕괴되어 변화해버리기 때문입니다.

탄소는 11개의 동위원소를 가지는데 그 중 12C와 13C를 제외한 나머지 동위원소들은 방사성 동위원소에 해당하여 지구 자연계에는 존재하지 않습니다.

물론 방사성동위원소가 지구상에 전혀 존재하지 않는 것은 아닙니다. 우주에서 오는 고에너지의 우주선과 반응하여 에너지가 높아져 방사성 동위원소가 계속해 생성될 수 있고 혹은 지구상에 존재하는 방사성 물질이 붕괴하는 과정에서 또다른 방사성 핵종이 만들어질 수 있습니다.

또한 원자력 발전에 활용되는 우라늄 혹은 플라토늄이나 의학적 목적으로 사용되는 플루오린, 아이오딘 등 인공적으로 만들어진 인공방사성원소도 존재합니다 (※ 방사성 동위원소를 의학적 목적으로 사용하는 분야를 '핵의학'이라 합니다).

방사성 동위원소의 활용, 핵의학(Nuclear medicine)

✔️ 불안정하여 붕괴되는 과정에서 방사선을 방출하는 방사성 동위원소를 병의 진단이나 치료에 이용하는 의학 분야를 '핵의학(Nuclear medicine)'이라 합니다.

생소 하실 수 있지만, '핵의학과'는 26가지 의학 전공 중 하나입니다. 인기과인 '영상의학과'와 유사하면서도 다른 '핵의학과'는 전공의 지원률에서 만년 꼴지로 꼽히지만, 기술 발전과 가장 밀접한 분야 중 하나라는 점에서 그 미래는 밝은 의학 전문 분야라 할 수 있습니다.

* 참고문헌

https://www.docdocdoc.co.kr/news/articleView.html?idxno=3003578

'만년 꼴찌'? 20년 후 내다보는 핵의학과의 근거 있는 자신감 - 청년의사

❗️'핵의학'은 주로 반감기가 짧은 방사성 동위원소를 질병의 진단이나 치료에 활용하는 학문으로 설명됩니다. 이때 방사성 동위원소를 활용한 핵의학 치료는 '방사선 치료'와는 다른 것으로,

① 방사선종양학과의 방사선 치료(Radiotherapy)는 외부에서 방사선을 조사하여 그 에너지로 암세포를 사멸시키는 것이라면,

② 핵의학과의 방사성 아이오딘(요오드) 치료(Radioactive Iodine therapy)는 방사성 동위원소 아이오딘(Iodine-131) 을 섭취하였을 때, 아이오딘을 주로 섭취하는 갑상선 세포들이 방사성 동위원소 아이오딘을 섭취하고 이때 갑상선 부위에서 방사성 동위원소 Iodine-131의 붕괴로 방출되는 방사선 에너지를 통해 갑상선암을 치료하는 것입니다.

⭐️ 위 설명과 같이 방사성 동위원소가 질병의 치료에도 물론 활용될 수 있지만, 실제로 핵의학 분야에서 방사성 동위원소의 활용은 질병의 치료보다는 질병의 진단에 더 집중되어 있습니다.

핵의학의 가장 주요한 기능은 방사성동위원소를 '추적자(tracer)'로 사용하여 인체에 대한 형태적, 기능적 정보를 획득하는 것이라 할 수 있습니다. 이때 추적자라 함은, 방사성 동위원소가 방출하는 방사선의 측정을 통한 추적의 대상이 된다는 의미입니다.

‣ 이는 생명과학1 교과서에 소개되는, 화성 토양에 생명체가 존재하는지를 알아보기 위한 실험과 동일한 원리입니다. 해당 실험에서는 방사성 동위원소인 14C를 사용하는데, '14C로 표지한 영양소'라는 표현이 사용됩니다. 이러한 방식을 '동위원소 표지(isotopic labeling)'이라 하는데, 이는 추적의 목적이 되는 물질에 존재하는 특정 원소를 동위원소로 대체하는 것을 의미합니다.

특히 표지한 동위원소가 방사성 핵종인 경우를 '방사성 동위원소 표지'라고 합니다. (즉 생명과학1 실험에서는, 영양소를 추적하기 위해 영양소에 존재하는 12C를 14C로 방사성 동위원소 표지한 것입니다.)

표지된 방사성 동위원소는 일정 기간 동안 방사선을 방출하게되고, 이를 측정함으로서 표지한 표적 물질을 추적할 수 있습니다. (* 위 그림과 같이 안정성 동위원소로 표지한 경우 방사선 측정을 통한 추적이 아닌 이전 탐구와 같이 동위원소 희석 질량분석법을 활용합니다.)

→ 핵의학 분야에서 방사성 동위원소 표지의 대표 예시는 18F-Fluorodeoxyglucose (FDG)입니다.

이는 포도당의 -OH를 방사성 동위원소인 18F(질량수 18 플루오린 원소)로 대체한 것이며, 18F로 표지된 포도당은 인체 내에서 ATP를 만들어내거나(이화) 혹은 글리코겐을 합성(동화)하는 등으로 대사되는데, 이러한 과정에서 불안정 18F가 일정 시간 동안 지속적으로 방사선을 방출하므로 포도당 대사의 과정이 추적될 수 있습니다.

이러한 원리를 활용한 핵의학 진단 대표 기술이 바로 PET(Positron Emission Tomography, 양전자 방출 단층촬영)입니다. 더 자세한 메커니즘에 대해서는 '진로연계' 파트에서 살펴보도록 하겠습니다.

암세포의 대사, Warburg effect

✔️ 생명과학2에서 배우는 세포호흡의 과정을 간단하게 설명하자면, 세포가 포도당을 이용해 ATP를 획득하는 것은 ① 해당과정→② TCA 회로→③ 전자전달계(산화적 인산화) 으로 나누어지며, 대부분의 ATP 획득(포도당 1개로부터 약 30~32개의 ATP 획득)은 '전자전달계' 과정에서 일어나게 됩니다. 따라서 일반 세포들은 포도당으로 효율적으로 ATP를 획득하기 위해서 위의 3과정을 순차적으로 진행하게 됩니다.

‣ 그런데 미토콘드리아의 전자전달계에서는 산소를 필요로하는 '산화적 인산화(Oxidative phosphorylation)' 과정으로 ATP를 생산하므로 산소가 존재하지 않을 경우 전자전달계가 작동하지 못하고, 연쇄적으로 미토콘드리아에서 일어나는 TCA 회로도 중단됩니다. 즉 산소가 존재하지 않는 무산소 상황에서는 위 과정 중 해당과정만이 일어나게 되고, 추가적으로 발효과정이 진행되는데, 이러한 세포호흡을 무산소호흡이라 하며 이 과정을 통해서는 단 2ATP만을 획득할 수 있습니다.