김광명 교수 연구팀, Small 주입형 microLED 기반 실시간 산소 모니터링 metronomic 광역학 암 치료 연구 게재

김광명 교수 연구팀, Small 주입형 microLED 기반 실시간 산소 모니터링 metronomic 광역학 암 치료 연구 게재

최근 광역학치료(PDT)는 빛에 의해 활성산소종(ROS)을 생성하여 종양세포를 제거하는 유망한 치료법으로 주목받고 있으나, 심부 종양에서는 낮은 광 투과성과 치료 과정 중 발생하는 산소 고갈로 인해 치료 효율이 제한되는 문제가 있다. 특히 지속적인 광 조사는 종양 내 산소를 빠르게 소모해 ROS 생성을 저하시킬 수 있어, 종양 내부의 산소 상태를 고려한 새로운 광 조사 전략이 요구된다.

이러한 한계를 극복하기 위해 연구팀은 종양 내 주입이 가능한 microLED 기반 광전자 프로브와 실시간 산소 모니터링 시스템을 결합한 통합 치료 플랫폼을 개발하였다. 본 시스템은 광역학 치료용 microLED (PDTR)와 함께 red/green oximetry (OXIR/G)및 GaAs 기반 photodetector 를 집적하여, 종양 내부에 직접 광을 전달하는 동시에 혈중 산소포화도 변화를 실시간으로 측정할 수 있도록 설계되었다. 이를 통해 일정 시간 동안 광을 지속적으로 조사하는 기존 PDT와 달리, 광을 반복적으로 On/Off하는 metronomic PDT(mPDT)를 적용하여 광 조사 시에는 ROS 생성을 유도하고, Off 구간에서는 종양 내 산소가 다시 회복될 수 있도록 하였다. 실제로 본 시스템은 종양 내부에서 microLED의 안정적인 On/Off 구동과 산소 농도의 감소 및 회복 과정을 실시간으로 모니터링할 수 있음을 확인하였다.

동물 종양 모델에서 0.1 Hz의 metronomic 광 조사는 연속 광 조사보다 종양 성장 억제 효과를 2.1배 향상시켰으며, 전체 치료군과 비교하면 최대 6.9배 높은 종양 성장 억제 효과를 보였다. 또한 종양 내 저산소 환경을 완화하면서 apoptosis를 증가시켰고, 주요 장기의 조직학적 이상 없이 우수한 생체적합성을 확인하였다. 

이번 연구는 심부 종양에서의 광 전달 한계와 치료 중 산소 고갈 문제를 동시에 해결할 수 있는 정밀 광역학치료 플랫폼의 가능성을 제시했다는 점에서 의미가 있다. 향후에는 종양 내 산소 농도를 실시간으로 감지해 광 조사 세기와 주기를 자동으로 조절하는 폐루프형(closed-loop) 치료 시스템으로 발전할 수 있으며, 환자 및 종양별 산소 상태에 맞춘 개인맞춤형 광치료와 다양한 고형암 치료로의 확장도 기대된다. 논문에서도 후속 시스템으로 산소 포화도에 따라 활성화되는 microLED 수와 광량을 조절하는 피드백 기반 치료 전략의 가능성을 제시하고 있다.