더커지게된다. 이러한상태에서, 외부자기장이없 을때에는열에너지에의해나노입자의자기적모멘 트가 randomize 되서자기적인특성을관찰할수가없 다. 하지만, 외부자기장이가해지게되면, 나노입자 의자기적모멘트가외부자기장에의해일정한방향 으로배열되기때문에강한자기적특성이나타내게 된다.

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희라 갈
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산화철나노입자의크기에따른 MRI 조영효과에관한연구 이노현교수 국민대학교신소재공학부 nohyunlee@kookmin.ac.

1 산화철나노입자의크기에따른 MRI 조영효과에관한연구 이노현교수 국민대학교신소재공학부 2005 서울대학교화학생물공학부, 공학사 2007 서울대학교나노협동과정, 공학석사 2011 서울대학교화학생물공학부, 공학박사 2011 서울대학교화학생물공학부, 박사후연구원 2012 Johns Hopkins University, 박사후연구원 2013 기초과학연구원나노입자연구단, 박사후연구원현재국민대학교신소재공학부조교수 서론 산화철나노입자는초상자성이라는독특한자기적특성을갖는물질로서, 하드디스크와같은자기저장매체와같은전자분야부터 MRI조영제및약물전달체와같은의약학에이르는다양한분야에활발하게쓰이고있다 [1]. 인류는오래전부터물리적접촉이없이도힘을가할수있는자기적특성및자성물질에관심을가져왔다. 그예로, 고대이집트에서는실수로섭취한녹의독성을완화시키기위하여, magnetite 가루를섭취하곤했다. 당시에는 magnetite 가철을잡아당겨서소화기관에의한배출을돕기때문에철에있는녹에의한독성을줄여줄수있을것이라고생각했다. 실제로산화철은다양한자성물질중에서가장생체적합성이높은물질로서, 자연계에서는박테리아, 조류, 어류등에서지구자기장을감지하기위하여사용되어왔다. 산화철나노입자는기존에는 ball-milling이나공침법등의방법으로합성되었으나, 최근금속전구체의열분해법을이용한합성기술의발전에의해 1~100 나노미터에이르는다양한크기의나노입자를균일하게합성할수있게되었다 [2]. 균일한나노입자의합성은다음두가지측면에서매우중요하다고할수있다. 첫번째로, 인체에주입된나노입자의생체분포는나노입자의크기에따라다르게나타난다. 예를들어서 10 nm 미만의나노입자는신장을통해서소변의형태로빠르게체외로배출되는반면에, 100 nm 이상의나노입자는간혹은비장의세망내피계에의해제거되어장기간해당조직에남게된다. 10 ~ 100 nm 사이의나노입자는비교적오랜시간혈액에머무를수있으며, 암과같이혈관에틈이있는경우에는해당조직으로전달될수있다 [3]. 따라서나노입자의균일성은의학적측면에서매우중요하다고할수있다. 두번째로, 산화철나노입자의자기적특성역시크기에따라변화하게된다 [1, 2]. 벌크상태의산화철은외부자기정이없어도강한자성을나타내는페리자성 (ferrimagnetism) 을갖는다. 하지만나노입자의크기가특정크기이하로작아지게되면, 나노입자내부의자기적에너지보다상온의열에너지가 484 NICE, 제 33 권제 4 호, 2015

2 더커지게된다. 이러한상태에서, 외부자기장이없 을때에는열에너지에의해나노입자의자기적모멘 트가 randomize 되서자기적인특성을관찰할수가없 다. 하지만, 외부자기장이가해지게되면, 나노입자 의자기적모멘트가외부자기장에의해일정한방향 으로배열되기때문에강한자기적특성이나타내게 된다. 이러한특성을초상자성 (superparamagnetism) 이라고부르며, 자성나노입자만의독특한성질이라 할수있다. 초상자성나노입자는외부자기장이없 을때에는나노입자간의자기적상호작용이거의없 기때문에, 안정된콜로이드상태를유지할수있다. 이러한특성은바이오 / 의료분야응용에매우적합하 며, 산화철나노입자의연구는대부분초상자성나노 입자를이용해이루어져왔다. 산화철나노입자의크 기가 3 nm 미만으로감소하게되면, 대부분자기적 이온이나노입자표면에존재하기때문에, 나노입자 의자기적특성이상자성과유사하게변한다 [4]. 즉 나노입자의자화도가매우작을뿐만아니라포화자 화도가거의나타나지않게된다. Magnetic resonance imaging(mri) 는인체의수소원 자의 NMR 신호를이용하여체내영상을만드는의료 용장비로서, 다른임상용영상장비에비해감도및 해상도가높을뿐만아니라, 인체에무해하다는장점 이있다. 조영제 (contrast agent) 는체내에주입되어, 조 영제주변수소원자의 MR 신호를변화시키는물질로 서 MRI 의감도를높이기위해사용된다. MR 조영제 는 T1 모드에서주로사용되며 MR 영상에서밝게나 타나는 T1 조영제와 T2 모드에서주로사용되며 MR 영상에서어둡게나타나는 T2 조영제가있다. 나노입 자의조영효과는자기적특성에의해나타나는현상 으로, 앞에서설명한나노입자의크기에따라변화하 게된다 [5]. 본칼럼에서는나노입자크기변화에따 른 MR 조영효과변화및응용분야에대해소개하고 자한다. 극소산화철나노입자를이용한 T1 조영제 T1 조영제는 MRI에서 longitudinal relaxation을촉진시키는물질로서 MR 영상에서밝게나타난다 [6]. 따라서 MRI에서어둡게보이는 T2 조영제에비하면영상판독이용이하다는장점이있다. T1 조영효과는다수의 unpaired electron을갖고있는상자성이온과물분자사이의상호작용에의해서나타난다. 현재임상에서는 7 개의 unpaired electron을갖고있는 Gd 3+ 계열의조영제가가장널리쓰이고있다. 하지만 Gd 3+ 이온은인체에유해한물질로서, 부작용을막기위해 Gd 3+ -diethylene triamine pentaacetic acid(dtpa) 등과같은킬레이트형태로사용되고있다. 하지만, Gd-계열의조영제가체내에오래머무르게되면, 여러가지과정을통해 Gd 3+ 침출되게되며, 심각한부작용이일어나게된다. Gd 3+ 이외에도 5개의 unpaired electron을갖는 Mn 2+ 역시 T1 조영제로활용이가능하지만조영효과가다소약할뿐만아니라, 신경독성등의문제로인해임상에서는널리쓰이지않고있다. 철은우리인체에필수적인물질로서, 고농도에서도별다른부작용이없다는장점이있다 [7]. 뿐만아니라인체에는주입된산화철을분해하여페리틴의형태로저장하고, 헤모글로빈과같은다양한생명현상에이용하기위한시스템을갖추고있다. 그리고 Fe 3+ 는 5개의 unpaired electron을갖는상자성이온으로 T1 조영제로활용이가능하다. 하지만, 산화철나노입자는자화도가너무높기때문에, MR 영상에서 T1 조영효과를감소시켜어둡게나타난다. 나노입자의자화도는나노입자의부피에비례하기때문에, 나노입자의크기가감소하게되면자화도역시급격히감소한다. 반면에초상자성을나타내는나노입자표면의철이온의숫자는급격히증가하기때문에나노입자의크기가 3 nm 미만으로감소하게되면상자성과유사한자기적특성이나타난다 ( 그림 1)[4]. 따라서 3 nm 미만의극소산화철나노입자 (extremely small iron oxide nanoparticle, ESION) 는초상자성나노입자와는다르게 T1 조영제로활용이가능하다. 실제로초상자성나노입자로표지된세포는 MR 영상에서 T1 조영효과가나타나지않아서어둡게보이는반면에, 극소산화철나노입자로표지된세포는뚜렷한 T1 NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 33, No. 4,

그림 1. (a) ESION 의전자현미경이미지. (b) 크기에따른산화철나노입자의자성의변화. (c) ESION 주입후얻은고해상도 MR 혈관이미지 (Kim et al. 2011 [4]) 조영효과를관찰할수있으며 MR 영상에서매우밝 게나타났다.

3 그림 1. (a) ESION 의전자현미경이미지. (b) 크기에따른산화철나노입자의자성의변화. (c) ESION 주입후얻은고해상도 MR 혈관이미지 (Kim et al [4]) 조영효과를관찰할수있으며 MR 영상에서매우밝 게나타났다. 뿐만아니라, Gd 3+ - 계열의조영제에비 해혈액내순환시간이훨씬길기때문에, 한번주 입한후에반복해서 MR 영상을얻을수있을뿐만아 니라, 긴시간이필요한초고해상도 MR 영상을얻을 수있다. 실제동물실험에서고해상도 MR 시퀀스를 사용했을때, Gd 3+ - 계열조영제는체외로배출되어서 적절한 MR 영상을얻을수없었던반면, 극소산화철 나노입자를주입한쥐에서는 200 µm 크기의혈관까 지 MR 영상화가가능하였다 ( 그림 1). 초상자성나노입자를이용한다기능성 T2 조영제 T2 조영제는 MRI 에서 transverse relaxation 을촉 진시키는물질로, MR 영상에서는어둡게나타난다. T2 조영제는산화철나노입자의주요응용분야중 하나로서, 공침법으로만들어진산화철나노입자인 Feridex 가간암진단의목적으로임상에사용된바있 지만, 새로운 Gd- 계열조영제에밀려서현재는사용 되지않고있다. 하지만 T2 조영제는일반적으로 T1 조영제에비해감도가 10 배이상높으며, 나노입자의 크기가커지면더욱강한 T2 조영효과를얻을수가 있다 [8]. 하지만산화철의경우나노입자의크기가 20 nm 를초과하게되면초상자성에서페리자성으로변 하게되면서, 자기적상호작용으로안정한콜로이드 상태를유지할수없게된다. 따라서페리자성나노 입자의경우강한 T2 조영효과를얻을수있지만제한된조건하에서만사용이가능하다. 반면에초상자성나노입자는매우안정된콜로이드상태를유지할수있기때문에, 나노입자를다양하게처리하여기능을확장할수있기때문에다기능성 MRI 조영제를만들기위한이상적인물질이라고할수있다. 현재까지두가지이상의영상장비에서사용가능한다기능성나노입자에대한많은연구결과가있었다. 그중에서가장대표적인예로산화철 / 실리카 core/shell 구조를들수있다 [9]. 산화철 / 실리카 core/shell 구조는산화철나노입자표면에서tetraethyl orthosilicate(teos) 등의 silane agent의졸-겔반응 (solgel reaction) 통해얻어진다. 실리카는다양한종류의 silane agent를이용하여쉽게필요한반응기를도입할수있다. 따라서실리카 shell에형광염료 (fluorescence dye), 방사성동위원소등을도입하여형광형상혹은양성자단층촬영등에활용가능한다기능성나노입자가합성되었다. 뿐만아니라실리카 shell을다공성으로만들어서진단뿐만아니라약물전달까지가능한나노입자도발표되었다. 졸-겔반응을이용한다기능성 core/shell 구조는실리카뿐만아니라다른원소에도적용이가능하다. 최근에는 TEOS 대신 tantalum (V) ethoxide를이용하여, Fe 3 O 4 /TaO x core/shell 구조가발표되었다 [10]. TaO x 는 X-ray의흡수율이매우높은물질로서, 현재임상에서쓰이는요오드계열의 CT 조영제를대체할수있는물질로기대되고있다. 따라서 Fe 3 O 4 /TaO x core/shell 나노입자는 T2 MRI 486 NICE, 제 33 권제 4 호, 2015

그림 2. (a) Fe 3 O 4 /TaO x core/shell 나노입자의합성과정. 동물모델에서나노입자주입전 / 후에얻은 CT 영상 (b) 과 MRI 영상 (c). (Lee et al. 2012 [10] 와 CT 에동시에사용이가능하다.

4 그림 2. (a) Fe 3 O 4 /TaO x core/shell 나노입자의합성과정. 동물모델에서나노입자주입전 / 후에얻은 CT 영상 (b) 과 MRI 영상 (c). (Lee et al [10] 와 CT 에동시에사용이가능하다. 특히 T2 MRI 와 CT 는상호보완적인이미징장비로서, CT 를이용해서는 조직의 3 차원구조를정확하게구현할수있고조영 제의양을정량적으로분석가능한반면, MRI 는 CT 의낮은영상감도를보완하여조직내부의미세한변 화까지추적할수있다. 실제로, Fe 3 O 4 /TaO x core/shell 를주입한동물모델에서 MRI 영상에서는 hypoxic 영 역과같은종양내부의미세구조를확인할수있었으 며, CT 에서는종양에의해생성되는신생혈관의구조 를확인할수있었다. 페리자성나노입자를이용한고감도 T2 조영제 T2 조영효과는나노입자의자기적특성뿐만아니 라확산속도에도영향을받는다. T2 조영효과에대한 이론적인분석에따르면, 20 nm 미만의초상자성나 노입자는확산속도가충분히빠르기때문에, 나노입 자의조영효과가나노입자의자기적특성에의해서결정된다. 하지만 20 nm 이상이되면, 나노입자의확산속도감소가 T2 조영효과에영향을줄정도로감소하게된다. 따라서나노입자의자성이커져서얻을수있는 T2 조영효과의증가가확산속도의감소로상쇄되어서나노입자의 T2 조영효과는더이상증가하지않는다. 이러한나노입자의크기영역을 static dephasing regime(sdr) 이라고부르며, 대략 20~100 nm 의범위가해당된다. 나노입자의크기가 SDR보다더커지면, 확산속도가지나치게감소하게되서 MR 조영효과는오히려감소하게되기때문에 SDR 영역에서최대 T2 조영효과가나타나며, T2 조영효과의크기를의미하는 r2 relaxivity가 800 mm -1 s -1 정도될것으로예측되었다. 하지만 SDR에해당하는크기에서산화철나노입자는페리자성을나타내며, 자기적상호작용으로나노입자가서로뭉치쳐서안정한콜로이드를유지할수없기때문에최대조영효과를관찰하기는대단히어려울것으로예상되었다. NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 33, No. 4,

5 그림 3. (a) 안정한콜로이드상태를유지할수있는 22 nm FION. (b) 크기에따른 FION 의 T2 조영효과의변화. (c) 이론적으로예측한산화철나노입자의크기에따른 r2 변화. (d) FION 을이용한암조직의 MR 영상 (Lee et al [11] 하지만최근에 20~30 nm의나노입자표면을 polyethylene(peg) 로코팅하면페리자성을극복하고안정된콜로이드상태를유지할수있다는결과가발표되었다 [11]. 실제 MR 팬텀분석결과에서 22 nm 페리자성나노입자 (ferrimagnetic iron oxide nanoparticle, FION) 에서는이론상으로예측되던산화철나노입자의최대조영효과에근접하는 761 mm -1 s -1 이라는 r2 relaxivity가측정되었다. 동물실험에서안정된콜로이드를이루는 FION을혈액에주입했을때, 비교적긴혈액잔류시간을나타냈으며, EPR (enhanced permeation and retention) 효과에의해나노입자가암으로전달되어 MR 영상에서암조직의신호변화를관찰할수있었다. 반면나노입자의크기가 30 nm 이상이되면나노입자간의자기적상호작용을극복할수없기때문에, 나노입자가 aggregate를형성하게돼서전체크기가 SDR범위를초과하게된다. 따라서 30 nm 이상의나노입자에서는 T2 조영효과가오히려감소하였다. 30 nm 이상의 FION은 T2 조영효과는감소하지만, T2* 조영효과는감소하지않는다. 따라서나노입자의 susceptibility 효과를극대화하는 T2* 모드에서는여전히조영제로사용이가능하다. 뿐만아니라 FION aggregate를암세포및줄기세포와같은다양 한종류의세포와배양하면, lipofectamine이나 polyl-lysine와같은특별한처리없이나노입자가세포내에흡수된다는사실이발견되었다 [12]. 나노입자를흡수한세포는 MRI 영상에서관찰이가능한데, 실제로 9.4 T MRI에서는 FION의강한자기적특성때문에단일세포수준까지 MRI에서관찰할수있었다. FION의이러한특성때문에향후줄기세포와같은세포치료에서세포추적등의중요한역할을수행할것으로기대된다. 실제로 1형당뇨의치료법중하나인췌도이식에 FION을적용한실험결과에서는이식된췌도의면역거부를실시간으로관찰할수있었으며, 사람과 MR 영상을얻는조건이거의똑같은돼지에서 1.5 T MRI에서도이식된췌도를정확히관찰할수있었다. 맺음말 산화철나노입자는나노의학초기단계부터이용된물질이지만아직도많은가능성을갖고있다. 특히 Gd-계열조영제에비해높은감도는향후고감도 MRI 영상에서중요한역할을할것으로기대되고있으며, 다기능성나노입자의개발을통해적용범위가더욱늘어날것으로예상된다. 그리고, MRI 외에도 488 NICE, 제 33 권제 4 호, 2015

6 MPI(magnetic particle imaging), MMUS(magnetomotive ultrasound) 등나노입자의자기적특성을이용한새로 운이미징장비가개발되고있으며, 나노입자의정교 한합성을통해더욱정확한진단결과를얻을수있 을것으로여겨진다. 뿐만아니라산화철나노입자는 온열치료및약물전달등과같은치료목적으로도활 발히연구되고있으며, 산화철나노입자에단백질을 붙여서세포수준에서자기장을이용하여단백질의 움직임을인위적으로조절하는연구도이루어지고 있다. 따라서산화철나노입자의가능성은무궁무진 하다고할수있으며, 향후의학분야에서의적용범 위는더욱넓어질것으로기대된다. 참고문헌 1. A.-H. Lu, E. L. Salabas and F. Schueth, Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46, D. L. Huber, Small 2005, 1, D. Ling, N. Lee and T. Hyeon, Acc. Chem. Res. 2015, 48, B. H. Kim, N. Lee, H. Kim, K. An, Y. I. Park, Y. Choi, K. Shin, Y. Lee, S. G. Kwon, H. B. Na, J.-G. Park, T.-Y. Ahn, Y.-W. Kim, W. K. Moon, S. H. Choi and T. Hyeon, J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, N. Lee and T. Hyeon, Chem. Soc. Rev. 2012, 41, H. B. Na and T. Hyeon, J. Mater. Chem. 2009, 19, L. Lartigue, D. Alloyeau, J. Kolosnjaj-Tabi, Y. Javed, P. Guardia, A. Riedinger, C. Péchoux, T. Pellegrino, C. Wilhelm and F. Gazeau, ACS Nano, 2013, 7, Y. Jun, Y.-M. Huh, J. Choi, J. Lee, H. Song, S. Kim, S. Yoon, K. Kim, J. Shin, J. Suh, and J. Cheon, J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, J. E. Lee, N. Lee, T. Kim, J. Kim and T. Hyeon, Acc. Chem. Res. 2011, 44, N. Lee, H. R. Cho, M. H. Oh, S. H. Lee, K. Kim, B. H. Kim, K. Shin, T.-Y. Ahn, J. W. Choi, Y. W. Kim, S. H. Choi and T. Hyeon, J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, N. Lee, Y. Choi, Y. Lee, M. Park, W. K. Moon, S. H. Choi and T. Hyeon, Nano Lett. 2012, 12, N. Lee, H. Kim, S. H. Choi, M. Park, D. Kim, H.-C. Kim, Y. Choi, S. Lin, B. H. Kim, H. S. Jung, H. Kim, K. S. Park, W. K. Moon and T. Hyeon, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2011, 108, NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 33, No. 4,

jaeryomading review.pdf

jaeryomading review.pdf 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 1. S. Kim, H. Y. Jeong, S. K. Kim, S. Y. Choi and K. J. Lee, Nano Lett. 11, 5438 (2011). 2. E. Menard, K. J. Lee, D. Y. Khang, R. G. Nuzzo and J. A. Rogers, Appl. Phys. Lett. 84,