광학적/열적 거동 제어를 통한 피부암의 광열치료 조건 최적화 - 김동혁 (The Graduate School, Ajou University, 2023)
광열치료는 열전달 현상인 광열효과를 이용한 새로운 항암치료 기법이다. 광열효과는 빛에너지가 열에너지로 변환되는 현상을 말하며, 이를 통해 기존 재래식 치료법과 비교하여 종양 부위를 직접 절개하지 않고 치료를 수행하기 때문에 출혈이 발생하지 않으며 회복이 빠르다는 장점을 지니고 있다. 광열치료는 온도 상승을 통해 종양 조직을 사멸시키며, 온도 대역에 따른 다양한 세포 사멸 형태중 43~50℃에서 발현된다고 알려져 있는 apoptosis를 최대로 발현시키는 것을 목표로 하고 있다. Apoptosis는 주변 조직에 영향을 끼치지 않고 스스로 세포가 사멸되는 형태를 말하며, apoptosis가 발현되는 온도 대역 이상에서 발생되는 necrosis와 비교하여 암 전이와 같은 위험성이 없다는 장점이 있다. 광열치료에서는 생체조직의 온도를 상승시키기 위하여 일반적으로 빛에너지로 대표되는 레이저를 활용하며, 다양한 파장대역 중 근적외선 영역의 레이저를 활용한다. 하지만 근적외선 영역의 레이저를 생체조직에 조사하는 경우, 조직의 광흡수계수가 낮기 때문에 이를 보완하고자 광흡수 증진제라는 물질을 종양조직에 주입한다. 광흡수 증진제는 특정 파장에서의 광흡수계수를 증진시키며, 이를 통해 근적외선 영역의 레이저를 활용하더라도, 원하는 온도대역까지 상승시킬 수 있게 된다. 광흡수 증진제는 다양한 물질로 제작이 가능하며, 그 중 생체적합성과 표면 개질의 편리성이 우수하며 인체에 대한 무해성등의 장점이 있는 금 나노 입자를 주로 사용한다. 최근 많은 연구자들이 광열치료에 대한 연구를 수행하고 있지만, 단순히 현상학적인 실험 결과만을 확인하거나 생물학적에서 통용되는 apoptosis를 관찰하지 않고 단순히 Arrhenius damage model을 사용하여 열적 피해 여부만을 확인하였다. 또한 광열치료는 열전달현상인 광열효과를 이용함에도 불구하고, 열전달적인 분석이 미흡한 상황이다. 이에 따라 본 연구는 열전달 이론을 기본으로 하여 다양한 조건에서의 광열치료에 대하여 최적의 치료 조건을 수치해석을 통하여 확인하였다. 매질 내 레이저 입자의 거동은 Monte Carlo 기법을 통해 분석하였으며, 금 나노 입자의 광학적 물성은 Discrete Dipole Approximation 기법을 통해 계산하였다. 또한 apoptotic variable을 통해 종양조직 내 apoptosis 발현 정도와 주변 정상조직의 열적 피해량을 정량적으로 계산하였다. 수치해석 모델은 in vitro, in vivo 실험 및 선행 연구와의 비교를 통해 검증하였으며, 이를 통해 광열치료를 수행하는 조건인 레이저의 세기, 반경, 프로파일과 종양의 크기 및 위치, 투입되는 금 나노 입자의 크기 및 형상, 레이저 조사 시간 및 냉각시간에 따라 최적의 치료 효과를 내는 조건들을 도출하였다. 이를 통해 추후 광열치료를 임상에서 수행함에 있어 최적 치료 조건을 위한 기준으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
학위논문(박사)--기계공학과,2023. 2
Keywords: apoptosis; 광열치료; 금나노입자; 열적피해량; 열전달