우리 학교 김동혁(기계) 연구교수가 ‘대한기계학회 열공학 부문 2023년 춘계학술대회’에서 우수논문상을 받았다. 김 교수는 3백40여 편의 논문이 발표된 대회에서 ‘금 나노 입자의 직접 투입 횟수에 따른 광열 치료에 대한 수치적 연구(A Numerical Study on Photothermal Therapy for Various Direct Count of Gold Nanoparticles)'라는 논문으로 수상했다.

변수 연구의 시작

피부암은 치료가 늦어질수록 생존율이 급격히 감소하는 위험한 질병이다. 그러나 다른 암에 비해 그 위험도가 낮다고 생각되는 경향이 있다. 이는 피부암 발병률의 증가라는 결과로 나타났다. 건강보험심사평가원 통계자료에 따르면 2021년 피부암 환자 수는 2만 9천4백59명으로 2016년 1만 9천2백36명에 비해 40% 이상 증가했다. 기존에 피부암을 치료하는 방법은 절개와 냉동치료 그리고 화학 요법이 있었다. 하지만 다양한 부작용이 존재하고 특히 절개를 통한 치료는 재발의 우려와 출혈 발생 그리고 2차 감염의 위험이 존재해 더 안전한 치료 방법이 강구된다. 광열 치료법은 위의 단점을 극복할 대체 치료법으로 주목받고 있다. 이때 열전달을 주로 이용하는 치료법이기에 광열 치료는 열전달에 대한 정확한 분석이 중요하다. 김 교수는 광 흡수 증진제의 성능 향상과 현상학적으로 치료 결과를 확인하는 것에 중점 돼 있던 기존의 연구 대신 열전달 이론을 통해 수치상으로 분석하는 것에 초점을 맞춰 연구를 진행했다. 김 교수는 “미지의 분야였기에 더 발전시킬 수 있을 거 같다는 생각으로 시작하게 됐다”고 밝혔다.

세포의 자살을 유도하는 치료

세포는 방사선이나 고열과 같이 비정상적인 상태에 놓일 때 자살을 택하는 성질이 있다. 이를 학술적 용어로 ‘apoptosis’라 일컫는데 광열 치료는 세포에 고열을 유발하는 방식으로 apoptosis를 발생시켜 외과적 수술 없이 암세포만 선택적으로 사멸하는 항암 치료 기법이다. 관건은 온도 조절이다. 일반적으로 43~50℃에서 apoptosis가 50℃ 이상부터 세포의 괴사인 necrosis가 발생한다. 만약 necrosis의 형태로 종양이 사멸한다면 세포 내 내용물이 주변 조직으로 유출돼 암 전이의 위험성이 존재하므로 열의 정확한 수치 파악은 필수적이다. 현재 광열 치료는 연구 단계에 있는 치료 기법이기에 치료의 기준이 되는 다양한 조건들을 파악할 수 없었다. 기준을 파악하기 위해 다양한 치료 상황에서 연구를 수행한다면 많은 양의 비용과 시간이 소요되는 문제가 있다. 또한 인체를 대상으로 하므로 윤리적 문제도 해결해야 하는 다양한 한계점이 존재한다. 김 교수는 이와 같은 한계를 극복하고 치료의 수행 중 수치해석 결과의 부정확으로 치료 실패가 야기되는 것을 막기 위해 ‘정확한 수치 파악’을 목표로 연구를 수행했다.

광열 치료의 기준 마련

김 교수는 종양에 투여하는 금 나노 입자의 투입 횟수를 조정해 수치해석 연구를 수행했다. 광열 치료는 주로 레이저를 활용해 치료가 진행되는데 그중에서도 근적외선 영역의 파장 대역을 사용한다. 해당 파장 대역은 생체 조직에 흡수되는 양이 적어 불필요한 부분에 입는 피해가 줄어드는 장점이 있지만 생체조직의 광 흡수계수가 낮다는 단점도 존재한다. 이를 보완하고자 열을 암세포로 모으는 역할을 하는 광 흡수 증진제인 금 나노 입자를 종양 조직에 투여했다. 김 교수는 광열 치료의 효과를 열전달 이론을 통해 정량적으로 분석하기 위해 다양한 조건에서 수치해석을 진행했고 최적의 치료 효과를 내는 조건을 정확히 도출해 냈다. 최종적으로 투입된 금 나노 입자의 부피분율이 10^-3 레이저의 세기가 140mW 투입 횟수가 6회일 때 최적의 치료 효과를 내는 것을 확인했다. 김 교수의 목표였던 정확한 수치 파악을 성공한 순간이자 이는 곧 광열 치료의 기준을 발견한 순간이었다. 김 교수는 “아직 상용화되지 않은 치료 기법이기 때문에 관련 자료를 찾는 게 매우 힘들었다”며 “하지만 우리 연구팀이 광열 치료 열전달 분야에 선두 주자라는 생각이 들어 더 책임감이 생긴 것 같다”고 전했다.

광열 치료의 미래

광열 치료는 암 치료 분야에서 주목받고 있는 치료 방법이지만 실험의 부족으로 아직 상용화되지 않았다. 정확한 기준이 없던 광열 치료는 김 교수의 연구로 상용화에 한 층 더 가까워졌다. 김 교수는 “국내외 연구진들의 연구가 꾸준히 진행되고 있다”며 “이러한 연구들이 지속되면 10년 내외로 상용화 가능성이 높아질 것으로 예측된다”고 밝혔다. 광열 치료가 상용화된다면 치료 중에 일어나는 전이의 가능성이 확연히 줄어들 것으로 예측된다. 또한 광열 치료는 암 치료로 인한 흉터 개선의 가능성도 제시한다. 기존의 수술이나 화학 요법과 달리 비침습적인 치료 방법으로 알려져 있으며 피부 손상을 최소화하고 자연스러운 외모를 유지할 수 있다.

최근의 수상으로 김 교수는 훌륭한 성과를 인정받은 것으로 알려져 있다. 김 교수는 “우리 학교 교수님께서 많은 관심을 기울여 주시며 큰 도움을 주신 덕분이다”며 연구소감을 전했다. 광열 치료의 발전은 환자들에게 더 나은 치료 방법을 제시할 것으로 기대된다. 한편 김 교수는 “피부암만을 대상으로 하던 광열 치료 연구가 인체 내 다양한 위치에 발병되는 종양에 적용할 수 있도록 연구가 수행되고 있다”며 “해당 연구가 수행된다면 광열 치료의 상용화를 보다 더 앞당길 수 있을 것이다”며 기대감을 드러냈다.