1 연구결과개요 연구배경 티미딘 (Thymidine) 은세포를구성하는 DNA의합성원료로사용되는염기중하나이다. 티미딘은세포막에위치한티미딘전달체를통해세포내로들어가며티미딘키나아제 (Thymidine kinase 1) 에의해티미딘일인산 (Thymidine MonoPhosphate, TMP) 이되고, 다시티미딜산키나아제에의해서티미딘이인산 (Thymidine DiphosPhate, TDP), 티미딘삼인산 (Thymidine TriphosPhate, TTP) 을거쳐 DNA 폴리머라아제의작용에의해서 DNA 합성에참여하게된다. 이와같이티미딘은 RNA 합성에는참여하지않고 DNA 합성에만참여하는특성을가지고있다. 빠른증식속도를가진종양세포는정상세포에비하여더많은 DNA 합성이이루어짐에따라더많은양의티미딘을필요로하므로티미딘의양을측정하여 DNA 합성정도를알수있다. 이런원리를이용하여핵의학에서는티미딘및그유사체에방사성동위원소를표지한방사성의약품으로 DNA 합성을영상화하고있다. [ 18 F]flurothymidine([ 18 F]FLT) 는종양의악성도와치료반응을조기에예측하기위한목적으로사용되는진단용 PET 방사성의약품이다. [ 18 F]FLT를이용한 PET 영상은암의진행을효과적으로모니터링할수있는분자영상기법이지만, [ 18 F]FLT 및그의대사물질의구별이어려워체내에서동시적으로일어나는세포분열속도나대사변화를정량적으로평가하지못하는단점이있다. 자기공명영상 (Magnetic Resonance Imaging, MRI) 과자기공명분광법 (Magnetic Resonance Spectroscopy, MRS) 은생체내물질을정량적으로분석할수있는영상기법이다. MRI 에사용되는핵종중민감도가가장높은원소는 1 H( 수소 ) 이다. 19 F( 불소 ) 은 MRI에서두번째로높은민감도 ( 1 H 대비 83%) 를가지고있으며 1 H와비슷한공명주파영역대를가지고있어기존의 1 H 이미징하드웨어를사용해서 19 F MRI 수행이가능하다. 또한생물학적으로인체에자연적으로존재하지않 으므로백그라운드의영향을받지않아매우높은대조도대잡음비와높은민감도를제공한다. 최근고자기장 MRI의개발로체내의특정효소활동, 세포축적과이동, 저산소증및신생혈관반응과같은생화학적변화를 19 F-MRI/MRS 기법을이용하여정량적으로모니터링하는연구가활발하다. 연구내용 본연구진은 19 F-MRS을이용하여살아있는생물에서 FLT의대사과정을실시간으로모니터링하고정량적으로평가하는데성공하였다. 또한본연구진은유방암세포 (MCF-7) 을이식한누드마우스에모델에 FLT를정맥주사하여 FLT가인산화과정을거쳐 FLT-MP로변환되는과정을 19 F-MRS로확인하였다. 또한, 체외평가에서 19 F-NMR 및 HPLC를이용하여검증하는과정을거쳤다. 기대효과 자기공명영상기술은방사성동위원소의사용없이뛰어난해상도의해부학적인영상을제공함과동시에인체의기능적대사정보를제공함으로써질병의진단에중요한역할을하는바이오이미징기술로서 기존핵의학영상기술의한계점인대사체분석기술을극복할수있을것으로기대된다 19 F-MRS를이용한 FLT 및그대사물의정량화기술은 19 F-MRS가세포증식정도를영상화하는바이오이미징기술로사용될수있는가능성을입증하였을뿐만아니라향후핵의학영상기술및 CT, 초음파, 광학영상등의다양한이미징기술과융합하여비침습적으로체내의약물상호작용및다양한동력학적정보를제공하는기술로응용될수있을것으로기대된다.
2 연구이야기 3 용어설명 연구를시작한계기나배경은 [ 18 F]flurothymidine([ 18 F]FLT) 은암진단용 PET 방사성의약품으로서종양과같이빠르게분열하거나악성도가높은세포에서활성이높게나타난다. [ 18 F]FLT 는체내에서효소에의해인산화되어대사물질로 [ 18 F]FLT-monophosphate([ 18 F]FLT-MP) 를생성하는데, PET 영상만으로는 [ 18 F]FLT 와 [ 18 F]FLT-MP 를구분하는데어려움이있음을알고이를 19 F 자기공명분광을이용하여구분해보고싶었다. 자기공명영상은해상도는매우뛰어나지만분자영상에있어아주중요한민감도는핵의학영상에비해떨어진다. 그러나최근들어고자기장마그넷의개발과코일의성능향상을통해민감도를높이는노력이이루어지고있다. 본원에설치되어있는 9.4T 소동물전용 MRI 를이용하여살이있는생물에서 FLT 의대사과정을실시간으로모니터링하고더불어 19 F-MRS 가암을진단하는바이오이미징기술로적합한지평가해보고싶었다. 아울러본연구팀은이종간의기술을융합하여새로운암세포복합영상기술을개발하는기반이되고자하였다. 연구전개과정에대한소개 팬텀실험을통해 MRS 정량분석데이터의신뢰도및정확도를확인하였고, 세포실험의 NMR 및 HPLC 결과를통해 FLT 의대사과정을확인하였다. 이실험들을통해서동물실험에서필요한최소농도및시간변수인자들을확인한후최종적으로종양을가진살아있는동물모델에서 19 F-MRS 를수행하여 FLT 가 FLT-MP 로대사되는것을확인하였다. 연구하면서어려웠던점이나장애요소가있었다면무엇인지 어떻게극복 해결 하였는지 기기를판매한업체에서 사업부를없애는일이발생하여 신호획득에서발생하는하드웨어적인문제점을해결하는데어려움이있었고신호처리과정에서필요한소프트웨어적인기술적지원을받을수없어국내외유저들및연구자들의조언을받아문제들을하나하나씩풀어가야만했다 그러나오히려그런과정들이기기에대한이해및연구결과의의미를해석하는데도움이된것같다 이번성과 무엇이다른가 [ 18 F]FLT 은핵의학분야에서는아주유명한암진단용 PET 조영제로임상에서사용되고있고, 생체내대사과정에대한연구가이미활발히진행된바있다. 그러나 FLT 의대사과정을자기공명영상기법으로연구한것은처음이다. 왜냐하면같은현상을다른관점에서볼수있는것은융합연구시스템이갖추어진곳에서나가능한일이며, 한국원자력의학원방사선의학연구소 RI 융합부 가바로그런곳이기때문이다. 즉이번성과는 PET 에서사용되는의약품을 MRI 을이용하여새로운관점에서응용분야를찾아내었다는데의의가있다. 꼭이루고싶은목표와향후연구계획은 자기공명영상은인체내조직의대조도가뛰어나고고해상도의영상을제공하는기법이지만 방사성동위원소를사용하는핵의학영상에비해민감도가떨어져종종분자영상기법으로평가절하되는경향이있었다 그러므로본연구를계기로서로다른영상기술의장점을가져와인체내발병하는암세포의특징들을분석하는연구를지속적으로진행할예정이다 이기술은궁극적으로인체에서암세포를사멸시키는중요한기반기술로보탬이되기위함이다 1. 티미딘및티미딘유사체티미딘 (Thymidine) 은세포를구성하는 DNA의합성원료로사용되는염기중하나이다. 티미딘은세포막에위치한티미딘전달체를통해세포내로들어가며티미딘키나아제 (Thymidine kinase 1) 에의해티미딘일인산 (Thymidine MonoPhosphate, TMP) 이되고, 다시티미딜산키나아제에의해서티미딘이인산 (Thymidine DiphosPhate, TDP), 티미딘삼인산 (Thymidine TriphosPhate, TTP) 을거쳐 DNA 폴리머라아제의작용에의해서 DNA 합성에참여하게된다. 이와같이티미딘은 RNA 합성에는참여하지않고 DNA 합성에만참여하는특성을가지고있다. 빠른증식속도를가진종양세포는정상세포에비하여더많은 DNA 합성이이루어짐에따라더많은양의티미딘을필요로하므로티미딘의양을측정하여 DNA 합성정도를알수있다. 이런원리를이용하여핵의학에서는티미딘및그유사체에방사성동위원소를표지한방사성의약품으로 DNA 합성을영상화하고있다. 2. 자기공명영상 (MRI) 및자기공명분광법 (MRS) 자기공명영상은핵의스핀 (spin) 이자기장내에서일으키는공명현상을이용하여영상을얻는기술로서안정성이높고영상의해상도가좋다. 또한연부조직의영상대조도가우수하여임상에서질병의진단을위한중요한영상기법이다. 자기공명분광법은비침습적으로생체검사 (biopsy) 를시행하지않고인체내의대사물질들을식별하고정량분석이가능한분석법이다. MRS 결과로나타난스펙트럼은정상조직과병변조직간에서로다른대사물질의화학적인구조를구별하는데사용되고이정보를질병의진단에이용하게된다. 원자핵은라모방정식에의해주어진주파수에서공명하므로, 혼합물질은각각의물질마다다른화학구조를가지고있기때문에다른공명주파를갖게되어고유한위치에서각각의피크를확인할수있다
3. 19F-MRI/MRS 19 F의스핀수는 1/2 을가지고있어핵자기공명반응을나타내며 NMR 및 MRI에서사용된다. MRI에사용되는원소중가장민감도가높은것은 1 H( 수소 ) 이고, 19 F( 불소 ) 의민감도는 1 H의 83% 정도로 MRI에서두번째로높은민감도를가지고있다. 또한, 19 F는 1 H와비슷한공명주파수영역을가지고있어기존의 1 H 이미징하드웨어를사용해서 19 F-MRI 수행이가능한장점이있다. 19 F는인체에자연적으로는존재하지않는원소로백그라운드신호가없어높은신호대백그라운드를나타낸다. 현재 19 F 표지화합물은치료용면역세포의추적, 폐영상및약물개발등다양하게이용되고있다. 4 그림설명 19 F-MRS 를이용한 FLT 의생체내대사물분석연구 그림 A. 티미딘은세포막에위치한티미딘전달체를통해세포내로들어가며티미딘키나아제 (Thymidine kinase 1) 에의해티미딘일인산 (Thymidine MonoPhosphate, TMP) 이되고, 다시티미딜산키나아제에의해서티미딘이인산 (Thymidine DiphosPhate, TDP), 티미딘삼인산 (Thymidine TriphosPhate, TTP) 을거쳐 DNA 폴리머라아제의작용에의해서 DNA 합성에참여하게된다. 빠른증식속도를가진종양세포는정상세포에비하여더많은 DNA 합성이이루어짐에따라더많은양의티미딘을필요로하므로티미딘의양을측정하여 DNA 합성정도를알수있다. F가표지된 3'-deoxy-3'-fluorothymidine(FLT) 는티미딘의 3-위치 OH기가 F로치환된구조로서티미딘과동일하게세포막에위치한티미딘전달체를통해세포내로들어가서티미딘키나아제에의해 FLT-monophosphate(FLT-MP) 가되고, 다시티미딘산키나아제에의해서 FLT-diphosphate(FLT-DP), FLT-triphosphate(FLT-TP) 로대사가되지만더이상대사되지않고세포내에서머물게된다. 그림 B. 농도별 FLT 팬텀의 19 F MRI 영상및 SNR(Signal to noise ratio) 로측정한신호값을나타낸그래프로, 농도에따라 SNR 및영상의밝기가증가하였다. (R 2 =0.9981) 그림 C. MRS 정량분석에대한정확도를평가하기위하여, FLT (100 mm) 와 FLT-MP (60 mm) 혼합팬텀의 19 F MRS 스펙트럼을얻은결과 -176.2 ppm와 175.2 ppm에서 FLT 와 FLT-MP의피크각각나타났고, 그면적비는 100 대 60으로확인되었다. 그림 D. In vitro 19 F NMR 결과에서, 세포는 FLT 를섭취한후 5분이내에그대사물로 FLT-MP를생성하기시작했고, 그양은시간이지날수록점점증가하였다. FLT 양은시간이지날수록증가혹은감소하였는데, 이는 FLT와 FLT-MP가가역적으로생성되는것을의미한다. 그림 E. 종양을가진누드마우스꼬리정맥으로 FLT를주사한후시간경과에따른 FLT-MP의생성을 19 F-MRS로확인한결과, 주사후 25분의
스펙트럼은 175.99 ppm 에서관찰되었고주사후 90 분스펙트럼은 175.08 ppm 에서관찰되었는데이는 FLT 가 FLT-MP 로대사되었음을의 미한다. 참고 5 교신저자이력사항 박지애박사 1. 인적사항 이름 : 박지애 소속 : 한국원자력의학원방사선의학연구소 전화 : 02-970-1660 e-mail : jpark@kirams.re.kr 학력 2009 경북대학교의용생체공학과공학박사졸업 2004 경북대학교의용생체공학과공학석사졸업 1999 영남대학교공과대학화학공학과학사졸업 경력 2008-현재한국원자력의학원방사선의학연구소선임연구원 2015-현재서울과학기술대학교시간강사 2011-2016 과학기술연합대학원대학교 (UST) 부교수
김정영박사 1. 인적사항 이름 : 김정영 소속 : 한국원자력의학원방사선의학연구소 전화 : 02-970-1624 휴대폰 : 010-9073-8387 e-mail : jykim@kirams.re.kr 학력 2011 한국외국어대학교화학과박사졸업 2002 한국외국어대학교화학과석사졸업 2000 한국외국어대학교화학과학사졸업 경력 2006-현재한국원자력의학원방사선의학연구소선임연구원 2004-2006 화순전남대학교병원핵의학과연구원 2002-2004 서울아산병원핵의학과연구원 5. 주요연구논문 ( 인용횟수및중요성을고려하여 5편선별 ) ㅇ Park J-A, Lee YJ, Lee JW, Yoo RJ, Shin UC, Lee KC, Kim BI, Kim KM, Kim JY. Evaluation of [89Zr]-Oxalate as a PET Tracer in Inflammation, Tumor, and Rheumatoid Arthritis Model. Mol. Pharmaceuticals. 13:2571-2577, 2016 ㅇ Lee JW, Lee YJ, Shin UC, Kim SW, Kim BI, Lee KC, Kim JY, Park J-A. Improved Pharmacokinetics Following PEGylation and Dimerization of a c(rgd-ach-k) Conjugate Used for Tumor Positron Emission Tomography Imaging Cancer Biotherapy and Radiopharmaceuticals 31(8):295-301, 2016 ㅇ Park J-A, Lee YJ, Ko IO, Kim T-J, Chang Y, Lim SM, Kim KM, Kim JY. Improved tumor-targeting MRI contrast agents: Gd(DOTA) conjugates of a cycloalkane-based RGD peptide BBRC 455:246-250, 2014 (7회인용) ㅇ Park J-A, Lee YJ, Lee JW, Lee KC, An GI, Kim KM, Kim BI, Kim T-J, Kim JY. Cyclic RGD Peptides Incorporating Cycloalkanes: Synthesis and Evaluation as PET Radiotracers for Tumor Imaging ACS Med, Chem. Lett 5:979-982, 2014 (9회인용 ). ㅇ Park J-A, Kim JY. Recent Advances in Radiopharmaceutical Application of Matched-Pair Radiometals. Current Topics in Medicinal Chemistry. 13:458-469, 2013(13회인용 ).
고인옥연구원 [ 제 1 저자 ] 이력사항 1. 인적사항ㅇ이름 : 고인옥ㅇ소속 : 한국원자력의학원방사선의학연구소ㅇ전화 : 02-970-1667 ㅇ e-mail : inogi99@kirams.re.kr 2. 학력ㅇ 2006 한서대학교, 방사선학과, 학사졸업ㅇ 2017 서울과학기술대학교, 의공학-바이오소재융합협동과정, 석사졸업 3. 전문분야정보 ㅇ MRI 및핵의학영상연구