방사선 치료 시 부수적 피해 예방을 위한 패치 개발

양성자 방사선 치료는 고용량의 방사선을 신체의 특정 부위에 보내 종양 세포를 방해하고 파괴하는 것이다. 그런데 방사선 치료의 가장 큰 부작용은 건강한 세포도 죽일 수 있다는 것이다. 방사선을 최대한 정확하게 조사하는 것이 중요하지만 특히 어린이를 다룰 때는 사람의 움직임이 문제가 된다.

메디컬 익스프레스는 지난 23일 미국 샌디아 국립 연구소에서 특정 암 종양을 표적으로 삼는 최고의 도구 중 하나인 양성자 방사선 치료 중 건강한 조직의 손상을 막기 위한 패치, 방사선 치료용 전자 고분자 선량계를 개발했다고 밝혔다

선량계란 방사선의 선량을 측정하는 기계로 기본적으로는 기체의 방사선에 의한 전리(電離)를 측정하는 전리상자이다.

개발자 중 한명인 패트릭 도티 박사는 “이것은 특히 소아 환자들에게 중요한 것”이라며 "숨을 쉬면 움직인다. 심장이 뛰면 움직인다. 그런 종류의 움직임은 멈출 수 없다. 그리고 아이들은 꿈틀거린다. 오랫동안 가만히 있을 수는 없다. 때때로 의사는 전신 마취에 의존해야 하고 때로는 6주 동안 매일 치료가 진행되기도 한다. 병원에 가서 몇 주 동안 매일 마취를 해야 한다고 상상해 보라. 그것은 누구에게나 좋지 않지만 어린이에게는 특히 나쁘다” 이러한 패치를 개발한 동기를 설명했다. 연구팀은 정확한 위치에 더 쉽게 전달할 수 있는 이미징 패치를 개발하고자 했다.

현재 시스템은 카메라를 통해 움직임이 감지되면 방사선을 멈추도록 유도하지만 방사선이 얼마나 잘못 배치되었는지, 어느 정도의 양이 발생했는지 감지할 수 없다. 연구팀은 방사선 치료용 전자 고분자 선량계(EPDR)라고 불리는 이 패치가 두 가지를 모두 수행할 수 있다고 말했다.

도티 박사는 "이 패치는 전자필름이라고 생각하면 된다며. "패치에 센서 요소 배열을 인쇄하고 각 요소 또는 픽셀은 위치와 강도 정보를 제공하는 것이다. 그런 식으로 전달된 선량의 이미지를 기록한다"고 설명했다.

연구팀은 소아암 치료 에 초점을 맞추기 시작했지만 패치가 다른 암 치료에 필수적일 수 있다고 말했다.

또 다른 개발자인 아비냐 박사는 "양성자 방사선 요법은 특정 암 치료를 위한 최적의 표준이지만 특히 전립선암 이나 뇌암과 같은 작은 영역에서 이를 표적으로 삼는 데 문제가 있으며 이것이 해결책이 된다"고 말했다.

도티 박사는 “뇌 조직을 포함해 파괴하고 싶지 않은 특정 조직이 위험에 처해 있다”며 "부수적인 손상으로 인해 청력을 잃을 수도 있고, 신경이나 기타 중요한 조직에 타격을 줄 수도 있기 때문에 물리적 구속을 사용한다. 뇌암 환자의 경우 말 그대로 머리 위에 딱 맞는 장치를 단단한 벤치에 못 박아 머리를 고정하지만 그게 얼마나 충격적인가."

연구팀은 센서를 폴리머 및 전극과 결합하여 붕대처럼 보이는 층상 물질에 부착하고 접착제를 추가했다. 그들은 일반적으로 플라스틱이나 수지로 알려진 폴리머가 양성자와 상호작용한 후에 이온화된다고 말했다. 그런 다음 전극은 전하를 증폭기에 다시 공급하여 실시간으로 빔 강도와 정확한 위치를 감지한다. 이는 빔이 목표를 벗어나면 방사선을 중단하고 정보를 기록하여 방사선이 어느 조직에 어느 수준으로 침투했는지 확인한다.

인공지능과 기계학습 도구를 기술에 추가하면 치료를 위한 고급 알고리즘이 탄생할 수 있다. 패치로 수집된 데이터를 분석함으로써 센서는 암 조직과 건강한 조직을 더 잘 구별하는 데 도움이 되며 보다 정확한 빔 프로필을 제공할 수 있다. 이를 통해 치료 효과를 더욱 높이고 과도한 방사선 치료를 예방할 수 있다.

이번 연구는 아비냐 박사의 개인적인 동기도 작동했다. 그의 아버지가 현재 암투병 중이기 때문이다.

아비냐 박사는 “나는 아버지의 항암 치료 전체 과정을 도울 수 있는 방법을 찾고 싶었고 기여하고 싶었지만 방법을 몰랐다"라며 "이것은 내가 연구하고 클리닉과 대화하면서 암 치료 중에 아이들이 겪어야 하는 일을 알게 되면서 더욱 돕고 싶었다. 이러한 개발이 종양학 분야에 엄청난 필요성이 있다는 것을 깨달았고 도움을 주고 싶었다"고 밝혔다.

도티 박사는 20년 이상 방사선 검출 분야에 종사해 왔으며 오랫동안 이 기술을 사용할 수 있는 새로운 방법을 모색해 왔다. 그는 과학자들이 기업가가 되도록 돕는 에너지부 에너지 I-Corp에 자신과 Avina가 합류하면서 종양학의 필요성을 깨달았다. 그리고 미국 내 최고의 암 센터의 종양학자들은 치료 시 직면하는 어려움을 공유했다.

연구팀은 패치의 상용화를 희망하며 다양한 프로그램과 기업가와의 네트워킹을 통해 자사의 기술을 선보이고 있다. 그들은 또한 실제 생활에 더 가까운 상황에서 기술을 테스트하는 데 많은 관심을 보이며, 실제로 암 센터 중 일부가 전체 양성자 방사선 치료 절차를 모형화하는 시스템을 통해 이러한 패치를 사용할 수 있는 능력을 갖추고 있다고 밝혔다.