플라즈마바이오과학및의학 http://dx.doi.org/10.5757/vacmac.2.4.9 최은하 Plasma Bioscience and Medicines Eun Ha Choi Nonthermal bio-compatible plasma (bioplasma) sources and their characteristics operating at atmospheric pressure could be used for biological cell interactions, especially for plasma bioscience and medicines. The electron temperatures and plasma densities of this bioplasma are measured to be 0.7 ~ 1.8 ev and (3-5) x 10 14-15 cm -3, respectively. Herein, we introduced general schematic view of the plasma-initiated ultraviolet photolysis of water inside the biological solutions or living tissue for the essential generation mechanism of the reactive hydroxyl radical [OH] and hydrogen peroxide [H2O2], which may result in apoptotic cell death in plasma bioscience and medicines. Further, we surveyed the various nonthermal bioplasma sources including plasma jet, micro-dbd (dielectric barrier discharge) and nanosecond discharged plasma. The diseased biological protein, cancer, and mutated cells could be treated by these bioplasma sources or bioplasma activated water to result in their apoptosis for new paradigm of plasma bioscience and medicines. I. 플라즈마바이오과학및의학 (plasma bioscience and medicine) 의연구배경및내용 플라즈마 (Plasma) 는고체, 액체, 기체상태다음의제 4 의물질상태라고불리는전기를띤기체들의집단이다. 이물질은물리학에서말하는우주생성의기본물질이며, 더나아가의생명과학에서말하는생명형성물질의원초적인물질이다. 플라즈마의구성기체는음의전하를갖는전자, 양의전하를갖는이온및다른물질과특히산화반응을잘하는반응성활성중성기체, 그리고보통상태의중성기체들로구성된물질이다. 그리고수산화기 [OH], 과산화수소 [H2O2], 산화질소 [NO], 초산소음이온 [O2* - ], 그리고오존 [O3] 등의활성종으로부터방출되는자외선, 방전기체인헬륨 (He), 아르곤 (Ar), 질소 (N2), 공기, 그리고이들의혼합및화합물로부터방출되는가시광선및적외선의조합으로이루어져있는전자기파를포함하고있다 [1]. 우연의일치일지는몰라도, 의학에서말하는피의성분인혈장도플라즈마라고한다. 그리고생물학에서도원형질을플라즈마라고한다. 지금부터 100여년전인 1911 년에 I. Langmuir 가전기를띤물질을플라즈마라고명명한배경에는이러한의학적및생물학적배경이깔려있다고본다. 1953년에미국물리학자인 Stanley Miller 가암모니아, 메탄, 수증기, 수소등의기체로이루어진원시대기에서방전실험을시행하여, 알라닌, 글리신과같은아미노산의형성을보았다. 아미노산은 2~3개가결합하여생명의기본물질인단백질을형성하는구성분자이며, 더나아가이들의중합으로생명물질이탄생하게된다. 한편, 같은 1953년에생물학자인 Watson과물리학자인 Crick는공동연구를통하여, 유전물질인 DNA는이중나 < 저자약력 > 최은하교수는 1987 년 8 월플라즈마물리학 Ph. D. 를받고, 1987 년 9 월부터 1992 년 2 월까지미국의 NSWC 박사후연구원, NASA Langley Research Center 위촉연구원, Hamptom University 조교수, 한국표준과학연구원선임연구원으로근무하였다. 1992 년 3 월부터현재까지광운대학교전자물리학과대전입자빔및플라즈마연구실에서 PDP 연구센터와플라즈마바이오과학연구센터의소장으로일하고있으며, 플라즈마바이오의과학융합연구를수행하고있다. (ehchoi@kw.ac.kr) 9
특집 플라즈마응용 [Fig. 1] Research areas of plasma biosciences [Fig. 2] ROS-mediated mechanisms for apoptosis of cancer cells 선구조로이루어진핵산물질임을발표하여, 신비한생명의원초적인물질에대한이해를한층깊게할수있게하였다. 이와같은유전인자인 DNA 및생명을이루는기본물질은모두단백질로이루어져있으며, 단백질의변형으로인하여모든질병이생긴다고보고있다. 현대의학에는정상세포및이와관련된세포들의돌연변이변형으로인하여현대의피부병, 치매, 암과같은난치병및모든병들이발생된다. 즉, 세포들의기본형성물질인단백질은원시대기의방전상태에존재하는물질, 즉플라즈마상태에서합성된다는점을착안하여, 단백질과관련된현대의알츠하이머병, 파킨슨병, 아토피및피부병, 그리고암과같은난치병은생명의원초물질인플라즈마를이용하여근본적으로치료가가능하다는가설을세울수있으며, 이를위한플라즈마바이오과학및이를이용한차세대플라즈마의학을개척할수있다. 더나아가구강보건및구강치의학, 그리고공중보건및미용의관점까지도활용할수있다. 이를기초로플라즈마바이오과학및의학에관한실제적용을통해플라즈마의료기기연구기반확립, 피부질환제어및치료장비제작에필요한데이터확보, 비정상세포군의직접및간접치료장치개발에필요한데이터확보를할수있다. 또한플라즈마를물과같은액체에처리하여만든플라즈마처리수 (PAW : plasma activated water) 의잔존라디칼과세포, 또는생체조직과의상호작용을통해생체와세포활동에미치는의학적지식을확보할수있다 [2]. ( 그림 1) II. 플라즈마바이오과학및의학 (plasma bioscience and medicine) 의연구내용 플라즈마바이오과학연구센터는광운대, 가톨릭의대, 동국대 / 병원, 성균관대, 고려대및고려대안암병원, 연 세대및연세치대, 국민대, 대구경북과학기술원, 경희 대병원등약 34 명의교수와 23 여명의박사연구원및 60 여명의대학원생으로구성되어있다. 그리고미국의 Drexel 대학, Geroge Washington 대학, Old Dominion 대학, 독일 Leibniz INP 연구소, 일본의 Nagoya 대학, Kyushu 대학, 홍콩시립대등의 20 여개의해외전문연 구기관과의공동연구네트워크체계를구축하고있다. 이 들기관과플라즈마를이용한암세포치유및억제, 면역 체계의활성화를통한암세포의치유, 플라즈마처리수를 이용한피부병치유가능성등에관한실질적인상호공동 연구, 인력교류및기술교류를실시하고있다. 플라즈마의암세포치유원리는정상세포와암세포의 활성산소함유량의차이에기인한다. 정상세포는암세포 에비해활성산소의함유량이상대적으로적어서, 플라즈 마에의한활성산소의순수한증가량을보았을때암세포 에서정상세포보다빨리세포치사량을초과하게된다. 따 라서정상세포보다암세포가선택적으로빨리플라즈마에 의해서세포자멸사로들어가게되며, 정상세포의손상을 최소화시킬수있다 [3]. ( 그림 2). 또한세포및생체조직 그리고혈액내의물성분은저온대기압플라즈마의전자 와반응하여수산화기 [OH], 과산화수소 [H2O2], 산화질 소 [NO], 초산소음이온 [O2* - ], 그리고오존 [O3] 등과같 10 진공이야기 Vacuum Magazine 2015 12 December
[Fig. 3] Plasma-initiated ultraviolet photolysis : Generation mechanism of reactive oxygen species inside the cell or biological tissue. 은제 1차활성중성종을생성하며, 여기에서 200 ~ 310 nm 대역의자외선이발생되며, 특히질소분자선 (SPS : secondary positive system) 으로부터 300 ~ 400 nm 의자외선이생성된다. 그리고이 200 ~ 400 nm 자외선은다시생체조직또는혈액내부의물과만나서물분자를여기시키며, 여기된물분자는계속이들자외선을흡수하여결국제 2 차수산화기 [OH] 로분해되며, 또한이들이다시결합하여과산화수소 [H2O2] 를생성하게된다. 이와같이플라즈마에의해발생된 1차활성중성종으로부터생성된자외선이생체조직속또는혈액을투과하여, 이곳의물과반응하여생체조직또는혈액속에서활성종을만드는과정을플라즈마-유도자외선광분해과정 (Plasma-initiated ultraviolet photolysis) 이라한다 [1]. 이와같은플라즈마에의한활성중성종, 즉라디칼생성원리를기초로하여, 암치유및질병치유를구현함과동시에또한노화된신경세포를치유하여젊은세포로바꾼다. [Fig. 4] Nonthermal atmospheric pressure plasma sources for plasma bioscience and medicines 고환자및일반인에적용가능한저온대기압플라즈마소스를개발하고, 또한이를이용한플라즈마처리수의기초연구및개발도매우중요한일이다. 저온대기압플라즈마소스의생물적용에관한연구를진행하기위해서, 면방전 [4] ( 그림 4의상단 ) 과플라즈마제트 [5] ( 그림 4의하단 ) 의두가지전극형태를갖는플라즈마발생장치를개발하고있다. 특히플라즈마디스플레이패널 (PDP) 관련한제조공정기술을활용하여대기압면방전플라즈마발생장치를개발할수있다. 기존의 PDP 전극인쇄기술인광리소그래피와스크린프린터기법을이용하여수십 ~ 수백μm간격의전극패턴을구현할수있다. PDP 전용의고온소성용유리기판에은전극 II. 1. 저온대기압플라즈마소스 가장중요한연구주제중의하나는실제의료현장에투입하여전기안전성및생물의학적안전성을확보하여환자에게적용가능한편리한플라즈마소스를개발하는것이다. 이를목적으로대기압상태에서작동하여야하며, 생체조직에열을발생시키지말아야하며, 사용하기간편한플라즈마소스를개발하여야한다. 플라즈마바이오과학및의학이라는새로운개념의질병치유의목표를가지 [Fig. 5] Characteristics of nonthermal atmospheric pressure plasma sources for plasma bioscience and medicines 11
특집 플라즈마응용 을도포하며 90 mm와 35 mm 직경의유리기판또는플렉시블기판에전극패턴을만들수있다. 각각전극패턴의개수는 547개와 95개로구성되어있다. 플라즈마방전시전극의산화방지및유전체장벽방전을발생시키기위해서 SiO2 유전체를 e-beam 증착기를사용하여 50 ~ 100 μm두께로증착하게된다. 대면적생물시료에적용하기위한용도로사용하고있으며, 현재암세포사멸, 피부미용및상처치유효과에관한연구를수행하고있다. 이기판을서로마주보게설치하여대향방전전극구조로도제작이가능하다. 이제품은구급차의병원균살균소독용도로개발하고있으며 2016년상반기에상용화를목표로개발이진행중이다. 400 100 μm의미세방전영역에서강한전기장에의해플라즈마가발생하며이때주변공기기체와플라즈마의충돌로다양한활성종들이발생된다. 여기서발생되는저온대기압방전플라즈마는전자온도가 0.7 ~ 1.8 ev 의값을가지며, 플라즈마이온밀도는 (3-5) x 10 14-15 /cm 3 의값을가지는특성을가지게되며, 이의특성을빨간동그란점으로그림 5에표시하였다 ( 그림 5). 이와같은전자온도및높은이온밀도의플라즈마에의해서발생되는활성종들은생물시료에적용되어생물학적인효과를기대할수있다. 이면방전구조와다르게 hollow cathode 전극구조를채택한플라즈마제트장치도개발하고있다. 수십 khz의구동주파수와수십에서수백 MHz의고주파, 그리고수 GHz 대역의마이크로파플라즈마제트장치로분류한다. 특히, 고주파및마이크로파플라즈마제트는오존발생을줄일수있다. 수십 khz의구동주파수의플라즈마제트소스는현재치아미백효과를새로운패러다임으로달성하기위해연구개발중이며 2016년상반기에상용화를목표로하고있다. 상온대기압플라즈마제트를이용하여과산화수소를사용하지않고도치아변색을일으키는물질을효율적으로제거할수있는특징을가지고있다. 물이도포된치아에플라즈마제트를처리하면물분자의이온화및들뜸과정을통해활성산소를발생, 충분한산화력을나타내어치아변색물질을제거할수있다. 이때인체에유해한물질을전혀사용하지않고도치아에착색된물질을효율적으로제거할수있다. [Fig. 6] Nano-second pulsed discharge image of non-thermal atmospheric pressure plasma II. 2. 나노초펄스플라즈마에의한항생제내성박테리아비활성화 황색포도상구균 (Staphylococcus aureus : S. aureus) 은저항성이강하여공기및토양등에광범위하게존재한 다. 사람과동물의피부에서식하고식품을통해서쉽게 오염되며식중독및패혈증의원인이된다. 또한, 이균은 치료약제에대한내성이심각한것으로잘알려져있다. 항생제인페니실린뿐만아니라메티실린내성황색포도 상구균 (Methicillin-resistant S. aureus : MRSA) 감염 이증가하고있어심각한문제로대두되고있다. 이처럼 치료가어려운항생제내성박테리아를플라즈마를이용 하여비활성화시킬수있다. 막스발전기 (Marx generator) 를이용하여나노초펄스 플라즈마 (Nanosecond Pulsed Plasma : NPP) 를발생 시켰으며방전전압과전류는 6 kv 와 0.7 ka 로 1 펄스당 discharge 의에너지는 0.06 J 이다 [6]. 그림 6 에방전사 진을나타내고있다. 항생제에내성을가진박테리아로는 페니실린내성황색포도상구균 (Penicillum-resistant S.aureus : PRSA), 젠타마이신내성황색포도상구균 [Fig. 7] Marx generator circuit for nano-second discharged nonthermal atmospheric pressure plasma 12 진공이야기 Vacuum Magazine 2015 12 December
전과비교하여약 2 배정도높아지며, 세포에스트레스로 써작용하게된다. 또한플라즈마가박테리아내베타 - 락 타마아제의활동을현저히감소시킴으로써박테리아를비 활성화시킬수있음을알수있다. [Fig. 8] <S. aureus viability> <Intracellular total ROS in S. aureus> II. 3. 플라즈마바이오의과학및치아미백 (Gentamicin-resistant S.aureus : GRSA), 메티실린내성황색포도상구균 (Methicillin-resistant S. aureus : MRSA) 을사용하였다. 고전압발생장치인막스발전기는 1 nf, 고전압캐패시터를병렬로충전시킨다음, 스파크갭스위치를사용하여순간적으로캐패시터를직렬로연결하여고전압을발생시킨다. 그림 7에나노초플라즈마발생장치인막스발전기의회로를나타내었다. 박테리아는총 4번의플라즈마처리를하였으며플라즈마처리전과비교하였을때처리후에약 50% 이상의박테리아가비활성화되며, 또한, 세포내부의활성산소종 (Reactive Oxygen Species : ROS) 이플라즈마처리후에증가하게된다. 페니실린및젠타마이신, 메티실린은베타-락탐 (β -lactam) 고리를공통으로포함하고있는베타-락탐계열의항생물질이다. 박테리아내베타-락타마아제 (β -lactamase) 라는효소가항생제의베타-락탐고리를분해함으로써항균능력을무력화시킨다. 따라서베타-락타마아제의활동성을확인함으로써플라즈마에의한영향을분석가능하며그결과로플라즈마처리전과비교하여보았을때플라즈마처리후베타-락타마아제의활동이현저히감소되었음을볼수있다. 플라즈마에의해발생한박테리아세포내 ROS는처리 [Fig. 9] Degenerate neural disease and cancer therapy by nonthermal atmospheric pressure plasma 저온대기압상태에서 37 o C 이하의온도를유지하면서발생하는저온대기압플라즈마는생체및의학에적용가능하므로바이오플라즈마 (Bioplasma) 라고도불린다. 바이오플라즈마와병든암세포의단백질또는돌연변이세포들과의상호작용을통하여현대의피부병, 치매, 암과같은난치병및모든병들을치유할수있는새로운플라즈마의학기술의패러다임이최근여러나라에서제시되었다 ( 그림 9). 바이오플라즈마에의한 DNA, 세포사멸및세포주기조절단백질들의변화에관한연구를통하여, 세포생존과사멸의불균형으로야기되는난치성질환 ( 암, 퇴행성뇌질환 ) 등의메디컬적용을통해차세대플라즈마의학기술및이의기반기술을제공할수있다. 변형된단백질은플라즈마와의상호작용을통하여정상단백질로되돌리고, 암세포는플라즈마활성산소와의상호작용을통하여스스로사멸하게끔유도할수있다 ( 그림 9). 또한생체조직과핏속의활성산소에의하여모든기관이노화되는점에착안하여, 이들노화된피부및혈관은플라즈마와의상호작용을통하여활성산소를제어함으로써피부를탄력있게유지할수있으며더나아가혈관청소도가능하다. 한편치아자체의아름다움에대한동경과미용에대한관심이높아지면서치아미백시술또한증가하고있다. 치아미백은미용측면에서도바람직하지만치아및구강건강을위해서도필요하다. 경제생활이풍요로워짐과더불어대인과의접촉으로치아에대한미적기대치가더욱커지고있는것이현실이다. 치아미백이란, 강한산화제인과산화수소의산소방출 (oxygen releasing), 기계적청소 (mechanical cleansing) 작용기전으로치아상아질안쪽부분의착색부분을산화시켜착색을제거하고치아를원래의색으로회복시켜주는시술을말한다. 최근전문적인치아미백술은과산과수소약제를도포한후특수광선을이용하여치아를미백시키는방법으로과산화수소는활성산소 (free radical oxygen) 을생성하게된다 [7]. 이 13
특집 플라즈마응용 [Fig. 10] Tooth whitening by non-thermal atmospheric pressure plasma jet : Before (left) and after (right) treatment 러한활성산소는불안정하여전자친화성을가지며다른유기질분자와결합하여안정성을얻기위하여계속적인반응과생성함으로써미백이진행된다. 현재시술되고있는치아미백은레이저등의광원조사를통하며, 이는레이저의치아미백효과를직접적으로일으키는것이아니라과산화수소계열의약품처리에주로의존하고있다. 따라서지금까지광원을이용하여실시되고있는치아미백시술은 35중량 % 의고농도카바마이드퍼옥사이드를치아에도포하여발생되는발생기산소 [O] 의산화력을이용하게된다. 이러한치아미백시술은그다지효과가뛰어나지않으며, 약품도포에의해변색유기물뿐아니라치아구조의파괴로치아자체도함께손상되고, 실제로과산화수소수의빈번한사용은심장병과암유발원인이된다는보고가있다. 식약청에서고시한과산화수소수의인체적용농도는 15중량 % 를한도로하고있는것도그러한이유이나그정도농도에서는레이저나 LED를조사하여도미백효과가잘나타나지않아한도를훨씬넘는 35중량 % 의카바마이드퍼옥사이드를적용하고있는실정이다. 최근광운대학교플라즈마바이오과학연구센터 (Plasma Bioscience Research Center) 는플라즈마방전기체에수증기를포함시키고, 구강안에적용가능한새로운디자인을개발함으로써치아미백에관련된여러문제점들을해결할수있는가능성을제시하였다 [8]. 이디자인은치아미백용핸드피스를기반으로, 일반인이가정에서쉽게그리고편리하게사용할수있도록고안되었다. 또한, 별도의과산화수소수및이의도포없이저온대기압플라즈마를치아에직접적용하여처리함으로써, 플라즈마-유도자외선광분해과정에의한활성산소 [OH] 를발생시켜충분한산화력을나타내어치아변색물 [Fig. 11] Portable non-thermal atmospheric pressure plasma jet for tooth bleaching 질을제거할수있도록하였다. 이때인체에유해한물질을전혀사용하지않으며, 처리중간에필요시물 (water) 만으로구강을헹구어주는과정으로치아에착색된물질을효율적으로제거할수있는특징이있다. 이와같은치아미백용을위한휴대용저온대기압플라즈마장치를내년기상반기에곧출시할예정이다. III. 전망및결론새로운개념의차세대건강증진및질병치유의목표를가지고플라즈마바이오과학및의학이새로이전개되어있으며발전하고있다. 이를위하여실제의료현장에적용가능한저온대기압플라즈마소스의개발및이를활용한플라즈마처리수의기초연구및개발도활발히진행중이다. 또한플라즈마또는플라즈마처리수를여러가지암세포및퇴행성신경질환, 그리고피부병등에적용하고있으며, 이를위한새로운자료확보및관련기초임상등활발한연구를계속필요로하고있다. 암세포의치유, 비정상세포군의직접및간접치료장치개발에필요한데이터확보, 플라즈마와라디칼의세포적용으로세포활동에미치는영향에관한학문적지식확보는매우중요한주제로대두되고있다. 플라즈마바이오과학및의학은기존의암치유방법과병행하여또는독립적으로도적용가능하며, 특히난치암의종류로알려진간암, 폐암, 뇌암, 유방암, 췌장암, 피부암, 혈액암등에플라즈마처리수와함께적용하면큰효과를기대할수있다. 그리고수술용외상치료및화상치료, 그리고피부 14 진공이야기 Vacuum Magazine 2015 12 December
질환제어및치료에관한플라즈마의료기기장비제작도 매우중요한사업으로인식되고있다. 또한중동호흡기증후군 (MERS : Middle East Respiratory Syndrome) 의값진경험에서보듯이신종 바이러스의살균및치유, 구급차실내소독및살균, 실 내공기정화및살균, 수질정화및살균소독기술은기존 의방법으로는구현하기매우어려운현실이다. 그러나저 온대기압플라즈마기술을적용하면뜻밖의좋은결과를 가져다줄수있다. 또한기존항생제에내성이생긴박테 리아를살균할때에도저온대기압플라즈마의효율성을 기대할수있다. 이제장수명보건건강복지시대에들어 서는현실에서, 저온대기압바이오플라즈마를적용하여 혈액및혈관청소를구현하여노화세포를젊은세포로바 꾸어나가며, 관련된퇴행성뇌질환등을적극적으로극복 할수있는기반기술을확보하는것또한중요하다고판단 한다. References [1] P. Attri, Y. H. Kim, D. H. Park, J. H. Park, Y. J. Hong, H. S. Uhm, K. N. Kim, A. Fridman, and E. H. Choi, "Generation mechanism of hydroxyl radical species and its lifetime prediction during the plasma-initiated ultraviolet plsama photolysis", Sci. Rep. 5, 9332 (2015). [2] G. Kong, G. Kroesen, G. Morfill, T. Nosenko, T. Shimizu, J. V. Dijk, J. L. Zimmermann, "Plasma medicine: An introductory review", New J. Phys. 115012:1 115012:35 (2009). [3] Trachootham et. al., "Targeting cancer cells by ROS-mediated mechanisms: a radical therapheutic approach?", Nat. Drug Discovery 8, 579-591 (2009). [4] N. Kaushik, N. Uddin, G. Bo Sim, Y. J. Hong, K. Y. Baik, C. H. Kim, S. J. Lee, N. K. Kaushik and E. H. Choi, "Responses of Solid Tumor Cells in DMEM to Reactive Oxygen Species Generated by Non-Thermal Plasma and Chemically Induced ROS Systems", Sci. Rep. 5, 8587 (2015). [5] Y. Kim, S. Jin, G. H. Han, G. C. Kwon, J. J. Choi, E. H. Choi, H. S. Uhm, G. Cho, "Plasma Apparatuses for Biomedical Applications", IEEE TPS-43, 944 (2015). [6] P. Attri, J. H. Park, J. Gaur, N. Kumar, D. H. Park, S. N. Jeon, B. S. Park, S. Chan, H. S. Uhm, E. H. Choi, "Influence of nanosecond pulsed plasma on the non-enzymatic pathway for the generation of nitric oxide from L-arginine and the modification of graphite oxide to increase the solar cell efficiency", Physical Chemistry Chemical Physics. 16(34). DOI: 10.1039/C4CP02514H (2014). [7] S. A. Nathoo, "The chemistry and mechanisms of extrinsic and intrinsic discoloration", J. Am. Dent. Assoc. 128 Suppl:6S-10S, 1997. [8] 최은하, 김경남, 김용희, 권재성, " 플라즈마를이용한치아미백방법및그에따른플라즈마칫솔, 등록번호 10-1459952 (2014). IVC-20 광고 (175X110) 인쇄본 _160126.pdf 1 2016-01-26 오후 12:50:45 www.ivc20.com 전세계진공인의축제, 제20회세계진공학술대회및전시회 C M 2016 년 8 월 21 일 - 26 일부산 BEXCO Y CM MY CY CMY K ICSS-16 ICN+T 2016 VASSCAA-8 25 th KVS ITC 2016 ISPB 2016 16 th International Conference on Solid Surfaces International Conference on Nanoscience and Technology 2016 8 th Vacuum and Surface Sciences Conference of Asia and Australia 25 th Anniversary KVS Symposium Industrial Topical Conference 2016 International Symposium of Plasma Biosciences 2016 20 th INTERNATIONAL VACUUM CONGRESS 3. 15 2016 초록접수마감 4. 15 2016 초록심사공지 5. 31 2016 조기등록마감 주관 후원 15