▲ 바이오 이미징 기술의 개요 .

◇ 기술의 분류

질병의 조기 진단 및 치료의 핵심 요소인 바이오 이미징 기술은 영상화 방법에 따라 광학영상법, 자기공명영상법, 정밀 핵의학 영상법, 초음파 영상법으로 분류되며, 이러한 영상법에 사용되는 다양한 나노소재들로 세분화 될 수 있다.

▲ 나노소재를 이용한 바이오 이미징 기술 분류 .

■ 환경변화

◇ 국가 신성장동력 육성의 일환

지식경제부와 교육과학기술부는 2020년까지 총 5,130억원의 예산을 편성하여 나노융합2020 사업을 진행하고 있다. 특히 나노의학 분야는 신성장동력으로서 IT 산업에 버금가는 잠재력을 지닌 것으로 판단되어 육성되고 있다. 바이오 이미징 분야는 이러한 노력의 일환으로 활발히 연구되고 있다.

◇ 시장의 확대 및 미래 유망 기술로 부상

미국·유럽·한국·대만·일본 등 여러 국가에서 나노의학을 주요 아젠다로 설정하고 기술개발에 몰두하고 있으며, EU는 제6차 Frame work Programme(FP)부터 나노의학에 대한 투자를 강화하여 2004년 이후 총 3억6천7백만달러를 투자했다. 바이오 이미징 분야는 나노의학 분야 연구의 약 13%를 차지하고 있으며 그 비중이 점차 증가되고 있는 추세이다.

▲ 국가별 나노의학 분야 투자현황(자료 : Frost&Sullivan, Top Technology Trends in Health and Wellness, 2012).

◇ 고령화 사회 본격 진입에 따른 생명연장 욕구 증대

고령 인구의 건강관리 및 삶의 질 향상 욕구 증가로 각종 질병의 조기진단 및 치료를 위한 바이오 이미징 연구가 활발히 진행되고 있다. 나노물질의 대량생산 체제 구축으로 제조원가가 급격히 하락함에 따라 다양한 분야에서 나노물질의 응용 및 기술 혁신이 빠르게 진행되고 있다. 나노소재를 이용한 바이오 이미징 산업 역시 동반 성장하고 있다.

▲ 나노의학 분야 투자 현황(미국, 유럽)(자료 : Frost&Sullivan, Top Technology Trends in Health and Wellness, 2012).

■ 기술의 중요성

◇ 개인 맞춤형 나노의료를 통한 난치병 극복

개인 맞춤형 나노의료를 통한 난치병 극복의 메가트렌드는 초고감도 조기진단, 치료용 나노 진단, 나노 이미징, 치료 분야의 원천기술 확보 등이다. 이들 원천기술을 기반으로 난치병을 조기진단하고 개인 맞춤형 나노의료를 통해 치료함으로써 삶의 질 향상을 추구할 수 있다.

◇ 나노 소재를 이용한 효과적인 바이오 이미징

과거 임상 이미징을 위한 방법들은 대부분 해부학적 정보나 기능학적 정보를 육안으로 보여주는 수준에서 활용되고 있었다. 그러나 나노 소재의 등장으로 분자 수준에서 생물학적 과정을 가시화할 수 있게 되었다. 금 나노 입자, 양자점과 같은 반도체성 나노입자, 자성나노 입자 등 나노입자들의 독특한 물리화학적 성질들과 생체분자의 결합을 통한 생물학적 응용연구가 진행되면서 효과적인 바이오 이미징의 가능성이 대두되고 있다.

◇ 표적지향성, 생체 적합성이 차세대 바이오 이미징 기술을 좌우

나노입자의 생물학적 응용 연구에서 가장 염두에 두어야 할 점은 나노입자의 독성 여부이다. 나노입자의 안전성 확보가 차세대 바이오 이미징 기술의 활성화를 위한 필수요소가 될 전망이다. 영상화 하고자 하는 조직을 선택적으로 이미징 할 수 있도록 표적지향성을 높이는 것 또한 중요한 연구 분야로서 바이오 이미징 기술 발전에 이바지할 것으로 전망된다.

■ 기술분야별 동향

최근 나노입자 기술 발전의 결과, 다양한 재료로 이루어진 나노입자의 제조가 이루어지고 있다. 또한 나노입자의 생체적합성과 특이성을 활용하여 진단 및 치료분야에서 연구성과가 활발히 나타나고 있다. 바이오 이미징 분야에서는 나노입자 프로브의 생체 적합성을 향상시키기 위한 노력이 활발하다. 유기·무기 하이브리드 나노입자 연구로 그 영역이 확대되고 있다. 이러한 유기·무기 하이브리드 나노입자의 개발은 나노크기를 이용한 암 영상 이미징, 다중영상 및 표적 지향적 이미징, 생체 특이적 바이오 이미징에 활용될 수 있다.

◇ 암 영상을 위한 나노입자

○ EPR 효과의 이용

암 영상을 위한 나노입자는 암 조직의 혈류 내에서 더 오랫동안 머무르는 EPR(Enhanced permeation and retention)효과를 이용하여 암 표적 영상을 확인한다. EPR 효과는 체내 암조직의 신생혈관상피세포 간극이 정상혈관에 비해 상대적으로 느슨하고 림프조직이 덜 형성됐기 때문에 약물이나 약물 전달체가 혈관 벽을 투과하여 체류하는 효과를 말한다. EPR 효과를 암 표적 이미징에 활용하여 암 세포 조직 내에서 순환하는 분자의 반감기를 증가시켜 수동적이지만 암조직에 나노입자를 선택적으로 전달할 수 있다.

○ 표적지향 물질의 도입

나노입자의 암 조직 내 친화력을 높이기 위해 표적지향형 인자를 나노입자에 결합시켜 적극적으로 질병을 표적할 수 있다. 표지 인자를 나노입자에 부착하면 표적 위치 정보가 축적되어 해당 영상에서 높은 신호 대 잡음비를 얻을 수 있다. 특정 질병을 타깃으로 하는 새로운 표적인자를 발견하기 위하여 phage display 등의 방법을 사용한다. 최근 새로이 발견된 표적인자를 중심으로 질병을 표적하기 위한 연구가 활발히 진행 중이다.

◇ 다양한 기능을 수행할 수 있는 다기능성 나노입자

○ 다중영상 나노입자

일반적으로 한 가지 종류의 이미징 기술로는 한 질병을 완벽하게 진단하기에 불충분하다. 그러므로 여러 이미징 방법을 사용한 진단으로 질병의 판별력을 높여야 한다. 한 가지 조영제를 사용하여 여러 이미지를 얻을 수 있는 다중 이미징 기술은 기존의 바이오 이미징 기술과 대비하여 한 차원 높인 것으로 노력과 시간 면에서 경제적이다. 실 예로는 양자점과 자성을 포함한 지질을 결합시켜 MRI(Magentic Resonance Imaging, 자기공명영상)/NIRF(NIRF : Mear-Infrared Fluorescent, 근적외선 형광 이미지) 다중 이미징이 가능한 나노입자를 들 수 있다. 다중영상을 위한 양자점, 고분자 기반 나노입자, 자성 나노입자, 탄소 튜브 등이 결합된 나노입자의 개발은 앞으로 많은 잠재력을 지니고 있다. 최근에는 MRI/PET(PET : Positron Emission Tomography, 양전자 단층 촬영장치), MRI/NIRF, MRI/PET 등의 다중 이미징을 위한 새로운 하이브리드 나노입자의 개발이 진행 중이다.

▲ 다중영상 나노입자 연구 사례.

○진단과 치료가 동시에 가능한 나노입자

유기 나노입자의 장점 중 하나는 화학적 개질이 비교적 자유로워 나노입자에 바이오 이미징을 위한 형광체 혹은 방사성 동위원소 등을 표지할 수 있다는 것이다. 형광체가 표지된 나노입자는 기본 기능인 약물전달체로서의 역할과 함께 영상을 동시에 제공한다는 다기능성을 지닌다. 이를 이용하면 진단과 치료가 동시에 가능한 나노입자의 개발이 가능하다. 또한 광열치료, 광동역학 치료제로 이용되는 나노입자에 자성체나 방사성 동위원소, 형광체 등을 결합시켜 진단과 치료가 동시에 가능한 나노입자 개발 연구가 활발히 진행되고 있다.

▲ 다기능성 나노입자 디자인의 예.

◇ 생체 적합성 나노입자

나노입자의 생체, 임상 적용 연구에서 가장 중요하게 고려해야 할 점은 나노입자의 독성 여부이다. 예를 들어 반도체 양자점(CdSe QD)의 카드뮴 독성은 세포의 기능과 활성뿐만 아니라 세포형태도 변형시키는 결과가 보고된 바 있다. 카드뮴-셀레늄(CdSe) 양자점의 경우, 장기간 노출 시 셀레늄의 산화에 의해 입자가 붕괴되고 궁극적으로 카드뮴을 방출하여 독성을 유발하는 것이 증명된 바 있다. 최근에는 이러한 나노입자들의 생체 적합성을 높이기 위해 생분해성 나노입자의 개발이나 생체 적합성 물질을 도입하는 등의 노력이 진행되고 있다.

■ 기술개발 주요이슈

◇ 바이오 이미징 나노 소재의 안정성 확보

바이오 이미징에 나노소재를 사용하기 위하여 가장 먼저 해결해야 하는 과제는 나노소재의 안정성 확보이다. 나노소재의 안정성을 확보하기 위하여 간․신장의 생물학적 표지(hepatic renal markers)의 분석과 조직염색학적 연구가 병행되었다. 그럼에도 불구하고 특정 나노입자나 나노복합체에 대해서 명확한 독성 효과를 규명하지는 못하고 있다. 나노입자 독성에 대한 이슈는 논란의 여지가 많고 규명을 위해 많은 연구결과가 필요한 실정이다. 인체에 나노소재를 적용하기 전에 독성의 지표로 활용가치가 있는 여러 가지 생물을 모델로 장기간의 연구 수행을 통해 안정성 확보가 전제 되어야 한다.

◇ 표적물질 등을 이용한 조직 선택성 및 민감성 증대 요구

특정 질병을 위한 새로운 표적물질을 발견하기 위해 연구개발 활동은 매우 활발히 진행되고 있다. 하지만 아직까지 표적물질의 특이성과 민감성이 만족할 만한 수준에 도달하지는 못하였다. 더욱이 현재 표적물질이 발견되지 못한 질병 역시 매우 많다. 그러므로 바이오 이미징, 나아가 나노의학 분야의 기술 도약을 위해서는 표적물질 개발이 반드시 선행되어야 한다.

◇ 다양한 기능을 결합시킨 바이오 이미징 소개에 대한 기대

기술동향에서 언급했듯이 최근 바이오 이미징 프로브 연구에서 주목할 만한 것은 다기능성이다. 다중영상, 약물 및 광열치료 등의 기능 도입을 통하여 바이오 이미징 기술을 한 단계 도약시키기 위한 연구들이 진행 중이다. 하지만 이러한 연구들은 아직 기초 연구 단계이며 앞으로도 더욱 많은 연구가 필요한 상태이다. 또한 상용화를 위해서는 제조 공정 등의 간소화와 나노소재의 저가화 등이 선결되어야 할 것이다.

美, 바이오 이미징 기술 시장 ‘선도’

韓, 산·학·연 다방면 연구 中

■ 해외 동향

◇ 미국

○ 연구개발 현황

미국은 나노기술을 정보통신기술, 생명공학기술과 함께 21세기 3대 중점과제로 선정하여 국가적인 연구개발능력을 집중시키고 있다. 2001년도부터 NNI 선언을 통해 나노기술 관련 정책들을 범부처적으로 조정·감독하고 있다. 바이오 이미징 관련 연구는 미국 국립 보건원(NIH) 산하 국립생체공학연구소(NIBIB) 주도 하에 이루어지고 있다. 주로 암, 심혈관계 질환, 당뇨병, 자가면역질환 등의 조기 진단과 치료를 목적으로 다양한 이미징 방법을 이용하고 있다. NIBIB 자체적으로 연구를 수행할 뿐만 아니라 NIBIB의 지원하에 Harvard Medical School, MIT, Cornell 등의 대학에서 활발히 연구가 진행 중이다.

○ 선도 기관

▲ 바이오 이미징 - 미국의 선도 기관 .

◇ 아시아

○ 연구개발 현황

아시아 주요국에서도 나노융합 바이오 연구의 일환으로 바이오 이미징에 대한 관심과 연구 지원이 대폭 증가하고 있는 추세이다.

일본의 경우 미국의 국가나노기술개발전략(NNI)에 대한 대응 전략으로 2001년 3월 경제 산업성과 문부 과학성이 공동으로 작성한 ‘나노기술이 창조하는 미래사회’를 통해 나노기술의 추진 전략을 수립하였다. 나노재료분야의 5개 중점영역의 하나로 의료용 극소시스템 등을 제시해 바이오 이미징 연구 개발을 진행하고 있다.

싱가포르의 경우 바이오 이미징에 특화된 연구 컨소시엄을 구성하고 있다. 싱가포르 바이오 이미징 컨소시엄(SBIC)은 국가차원에서 공학, 물리학, 의학 분야를 함께 지원함으로써 여러 가지 바이오 이미징 연구의 시너지 효과를 기대하고 있다.

○ 선도 기관

▲ 바이오 이미징 기술 - 아시아의 선도 기관 .

◇ 유럽

○ 연구개발 현황

유럽의 경우 2002년 제6차 Framework Program에서 나노 기술을 중점 연구 분야로 지정했다. 이후, Euro-Bioimaging 프로젝트를 구성하여 유럽 내 15개 국가가 공동으로 참여하여 biological, biomedical imaging 연구의 인프라를 구축하고 있다. 또한, 2006년 European Institute for Biomedical Imaging Research를 구성, 35개국 280여명의 연구책임자들 사이에 연구 네트워크를 구성하여 효과적인 연구협력이 이루어 질 수 있도록 하였다.

○ 선도 기관

▲ 바이오 이미징 - 유럽의 선도 기관.

◇ 국내 동향

○ 연구개발 현황

국내의 경우 2001년 나노기술 육성을 위해 ‘나노기술종합 발전계획’을 수립했다. ‘나노기술종합발전계획’에서 나노바이오기술 분야는 ‘나노바이오 의약, 질병 진단 및 치료 기술’ 등의 개발을 강조하고 있다. 이어서 나노 바이오 기술의 중요성을 인식해 2002년을 ‘나노-바이오의 해’로 선정한 바 있으며 현재 다수의 대학·연구소·기업 등에서 연구가 진행되고 있다.

2012년 한국과학기술연구원(KIST)은 미국 국립생체공학연구소(NIBIB)와 생체의학 영상 및 의공학 분야 연구개발 등 상호협력을 위한 협정을 체결함으로써 협력을 통한 시너지 창출을 목표로 노력하고 있다. 협력협정 이후에는 과학계에 생체의학 영상의 인지도를 향상시키기 위한 워크숍, 세미나 개최 및 해당 분야의 최신 연구 동향에 관한 교육자료 발간 등이 계획되어 있다. 한국생명공학연구원 산하 바이오나노연구센터는 바이오메디컬 융합 원천기술 개발을 목표로 연구를 수행하고 있으며, 한국표준과학연구원(KRISS)·광주과학기술원(GIST)을 포함한 여러 대학 및 연구소에서 관련 연구가 활발히 진행 중이다.

○ 선도 기관

▲ 바이오 이미징 - 국내의 선도 기관.

■ 기술경쟁력분석

▲ 바이오 이미징 - 기술격차 및 기술수준 .

나노입자 시장 규모, 연평균 22.3%↑

나노물질 ‘안정성’ 확보 시급

■ 산업 및 시장 동향

◇ 산업동향

나노입자 기술이 바이오 이미징 시장을 극대화 할 수 있는 핵심 기술이므로 Roche, Invitrogen, Bayer healthcare pharmaceuticals와 같은 여러 외국 회사들이 앞 다투어 기능성 조영제를 개발하고 있다. Indec biosystems, CRI, Kodak, Bruker, GE healthcare, Philips 등의 기업에서는 in vivo 이미징을 위한 장비를 개발·판매하고 있다.

국내의 경우, 많은 연구 성과에도 불구하고 뚜렷한 핵심제품이 아직 개발되지 않고 있다. 그러나 나노스퀘어·바이테리얼즈·동국제약 등의 기업에서 바이오 이미징을 위한 시약 제조 및 개발이 이루어지고 있고, 나노 안전성의 이슈가 해결되면 많은 제품이 출시될 수 있을 것으로 판단된다.

▲ 바이오 이미징 - 국내외 산업동향 .

◇ 시장규모 및 전망

나노 바이오 이미징 제품 시장에서 현재 사용되는 바이오 이미징 시약은 대부분 X-Ray·Ultrasound·MRI·CT 관련 제품들이다. in-vivo optical 이미징의 경우 현재 태동단계에 있기 때문에 시장 규모는 미약하나 그 성장 속도는 매우 빠르다.

▲ 세계 바이오 이미징 시약 시장 규모 전망(자료 : 한국산업기술진흥원, 산업기술로드맵, 신산업-나노융합, 2011)(단위 : US$ Millions) .

특히, 기술개발 측면에서 나노입자를 활용한 시약 개발이 급격히 증가하고 있다. 2008년 MRI 및 Ultrasound용 나노입자 시장은 1,700만달러에서 2013년 1억240만달러로 증가할 것으로 예상된다.

▲ 세계 바이오 이미징 기술 시장 규모 전망(자료 : 한국산업기술진흥원, 산업기술로드맵, 신산업-나노융합, 2011 )(단위 : US$ Millions).

국내의 경우 MRI 조영제의 93%를 수입에 의존하고 있다. MRI 조영제의 국내시장 규모는 2008년 200억원 정도였으며 이후 꾸준한 증가 추세를 보이고 있다. PET·CT·형광 나노 조영제의 경우 최근 제품화에 이르렀다. 시장의 확대를 위해 바이오 이미징을 위한 나노 입자 제조의 원천 기술과 관련된 응용 연구들이 요구된다.

■ 미래의 연구방향 및 제언

◇ 미래의 연구방향

사회가 고령화되고 경제수준이 상승함에 따라 개인의 건강에 대한 관심과 쾌적한 삶에 대한 욕구가 증가하고 있다. 특히 질병에 대한 조기진단과 적절한 치료에 대한 관심이 매우 높아지고 있다. 나노기술을 이용한 조기 진단장치 및 치료방법은 암과 같은 치명적인 질병을 극복할 수 있는 방법이다. 이로 인해 국민의 삶의 질을 향상시키는데 큰 기여를 할 수 있고 쾌적한 삶을 영위하는데 도움을 줄 수 있을 것이다.

◇ 제언

○ 나노입자의 안정성 확보

세계적으로 나노물질의 안전성에 관한 관심이 증가하고 있으며 나노화학물질의 안전성 및 독성 평가는 인체 유해성의 측면뿐만 아니라 국가 간 수출입과도 매우 관련이 깊다. 이미 선진국에서는 정부와 기업이 협업하여 나노기술 위해성 관리를 위한 프레임 워크를 개발해 놓았으며, 안전한 나노제품 개발을 유도하기 위해 리스크 관리 프로그램을 기업에서 운영하도록 권고하고 있다. 국내에서도 이와 같은 나노입자의 안정성 확보를 위한 제도적 장치가 필요하다.

○ 상용화를 위한 장기적 지속적 지원 필요

바이오 이미징을 위한 나노소재 개발 사업은 장기적인 접근이 필요한 만큼 위험 부담이 큰 분야이다. 생체에 적용하기까지 시간적·금전적 투자가 필요하며, 기술의 특성상 연구개발이 성공하더라도 식약청의 승인 및 임상실험 등 여러 가지 측면에서 상용화의 성공을 예측하기 힘들다. 따라서 정부와 기업 간의 긴밀한 협조와 연구기관과 기업 간의 산학협력을 통한 연구 개발이 필수적이다. 또한 소재·생화학·화학·의료 등 여러 분야가 융합되어 연구가 이루어지는 만큼 학제간 공동연구를 위한 환경조성 및 제도적 마련이 필요하다.