암세포만 파괴하는 저강도 초음파 ‘정재파’
대부분의 암 치료는 수술이나 화학적 독물이나 유독한 방사선과 관련이 있다. 이런 것은 암세포와 더불어 건강한 세포도 공격하기 때문에 환자를 지치게 만들고 고통을 주는 것 등을 할 수가 있다. 따라서 연구가들은 건강한 세포를 해치지 않는 새로운 방법들을 모색한다. 그런 한 가지 새로운 아이디어가 초음파 에너지로 암세포를 파괴하는 것이다. 그러나 이 방법조차도 때로는 건강한 조직을 손상할 수가 있다. 그런데 새로운 기술 개발이 도움이 될 듯하다. 그 기술은 초음파 에너지가 오직 암세포만 손상하도록 제한한다. 건강한 세포는 만약 해를 입어도 거의 상처를 입지 않는다.

데이비드 미틀스타인은 자신의 연구진의 연구 결과에 대해 고무적이라고 말했다. 그는 파사데나에 있는 캘리포니아 공대의 생의학 공학자이다. 저강도 초음파가 의사들이 암세포의 독특한 물질적/구조적 특징들에 기초해서 암세포들을 표적으로 삼도록 해주는 듯하다고 그는 부언했다. 에너지가 넘쳐나면 건강한 조직에 작은 손상을 야기할 수 있다. 이 치료법은 2만 헤르츠가 넘는 주파수를 가진 음파의 펄스, 즉 에너지를 방출한다. 우리 귀가 듣기에는 주파수가 너무 높다. 그래서 초음파라고 한다. 의료 영상은 이런 저강도 초음파의 아주 짧은 펄스에 의존한다.

의사들은 암세포를 죽이기 위해 고강도 초음파를 이미 사용하고 있다. 그런 음파는 집중된 작은 부위에 많은 에너지를 방사한다. 음파가 그 부위의 세포들 속에 있는 물을 진동시킨다. 그게 세포를 가열시킨다. 엄청나게 가열시킨다. 표적이 된 세포들과 그 주변의 세포들은 불과 20초 만에 섭씨 65도까지 가열될 수 있다. 그게 암세포들을 죽인다. 단점은 건강한 세포들도 죽이는 것이다.

캘리포니아 공대의 또 다른 실험실은 저강도 초음파가 암세포에 미치는 영향을 연구했다. 암세포는 건강한 세포와 다르다. 세포핵이 더 크고, 또 세포가 더 부드럽다. 이 실험실의 연구진은 암세포의 컴퓨터 모델들을 만들었다. 그 모델들은 저강도 초음파가 그런 세포들을 죽일는지도 모르는 것을 시사했다. 그 과정은 훈련받은 가수가 특정 음표의 소리를 질러서 포도주 잔을 박살낼 수 있는 것과 유사하다고 미틀스타인은 설명했다.

정재파의 기포, 정상파의 기포보다 더 크게 진동하여 암세포 죽이다
이 아이디어는 테스트를 해보지 않았었다. 그래서 미틀스타인의 연구진이 테스트를 해보기로 했다. 우선 그들은 암세포를 건강한 혈액 세포와 면역세포와 함께 섞었다. 그 세포들은 모두 다 액체 속에서 위로 떴다. 그런 후 연구진은 그런 세포들을 향해 저강도 초음파의 짧은 펄스를 쏘았다. 이들 연구진은 30만 헤르츠에서 65만 헤르츠에 걸치는 상이한 초음파 주파수를 테스트했다. 또 2 밀리세컨드에서 40 밀리세컨드에 걸치는 상이한 펄스 지속시간도 테스트했다. 50만 헤르츠 초음파를 20 밀리세컨드씩 폭발적으로 방출해서 1분간 방사하니 거의 모든 암세포가 죽었다. 혈액 세포들은 해를 입지 않았다. 또 면역세포도 10개 중 8개 이상이 말짱했다. 미틀스타인은 이 실험을 엄청난 성공으로 평가했다.

이 치료는 액체 속에 작은 공기 방울들이 있는 것처럼 엄청나게 작은 미세기포들이 생기도록 했다. 초음파가 더 큰 기포들이 진동하도록 만들었다. 그런 진동은 미세기포들이 커지고 그런 후 맹렬하게 터지도록 만들었다. 암세포들을 죽이려면 미세기포의 진동이 필요했지만 충분하지는 않았다고 미틀스타인은 말했다. 미세기포들은 건강한 세포와 암세포 둘 다 속에서 진동했다. 그러나 오직 암세포들만 초음파의 특정한 주파수에 취약했다고 미틀스타인은 말했다. 초음파가 되돌아 튀면서 암세포들과 한 번 이상 부딪치면 더 손상을 입었다.

처음의 초음파는 진행파라는 것이다. 진행파는 초음파를 만드는 기계로부터 나온다. 그러나 그런 초음파가 어떤 유형의 표면에 부딪치면 되돌아 튀어서 (마주 보고) 날아오는 진행파로 돌진할 수 있다. 그렇게 충돌하는 초음파들이 합쳐져서 정재파로 알려진 특별한 형태가 된다고 미틀스타인은 설명했다. 그리고 이 정재파가 ‘마디’라 불리는 특별한 정지 지점들을 약간 갖는다고 그는 부언 설명했다. 이 마디에서는 압력이 일정하게 유지된다. ‘골’이라 불리는 또 다른 약간의 정지 지점들도 생긴다. 이런 골에서는 압력이 진행파의 진폭의 2배로 오르내린다고 미틀스타인은 말했다. 결국은 정재파에 있는 기포들이 정상파에 있는 기포들이 진동하는 것보다 더 크게 진동한다. 그리고 그런 여분의 진동이 암세포들을 죽이는데 필수적인 것으로 입증되었다.

연구진은 정재파가 미세기포들을 서로 더 가깝게 모이게 하는 것으로 생각한다. 그런 후 그것이 세포들에 가해지는 초음파 에너지를 증대시킨다고 미틀스타인은 말했다. 모든 세포들이 정재파에 똑같이 반응하지는 않는다. 어떤 세포가 반응할지는 세포의 물질적 특징에 달려있다. 그래서 오직 암세포들만 손상이 된다.

미틀스타인 후속 연구, 종양 본 뜬 세포 덩어리에 초점
미틀스타인은 자신의 실험에서 정재파를 만들기 위해 반사경을 사용해서 음파를 물 위에 떠있는 현탁액에 되돌아 튀도록 했다. 초음파를 뼈에 되돌아 튀도록 하면 증대된 동일한 유형의 충격이 나타날지도 모른다고 그는 생각하고 있다.

이번 연구는 고무적이라고 티모시 미켐이 말했다. 그는 이번 연구에는 관여하지 않았지만 초음파의 의학적인 가치에 대해 알고 있다. 그는 버지니아 주의 샬로츠빌에 있는 집속 초음파 재단의 수석 의료관으로 일하고 있다. 만약 이들 세포에서 나타난 결과가 사람에게도 일어난다면, 이는 지금까지는 가능하지 않았던 방법으로 의사들이 암세포들을 표적으로 삼을 수 있도록 해줄 것이라고 그는 말했다.

그러나 이 기술은 환자들에게 사용할 준비가 되어있지 않다고 그는 경고했다. 이는 새로운 치료법을 개발하는 과정의 첫 단계일 뿐이다. 그러나 만약 다음 단계가 잘 진행이 되면 환자들에게 엄청 큰 이익이 될 수도 있다고 그는 말했다.

미틀스타인은 벌써 앞서 나가고 있다. 그의 연구진의 다음 실험들은 액체 속의 세포를 표적으로 삼는 것을 넘어설 것이다. 그들은 암성 종양을 본 뜬 세포 덩어리들에 초점을 맞출 것이다. 만약 그들이 치료한 종양에서도 비슷하게 암세포를 죽인다면 이 치료법이 암 치료에 상당한 영향을 미칠 수 있을 것으로 우리는 생각한다고 미틀스타인은 말했다.

참조:
D. R. Mittelstein1 et al., "Selective ablation of cancer cells with low intensity pulsed ultrasound featured" Appl. Phys. Lett. (2020) 116, 013701. https://doi.org/10.1063/1.5128627