광학적/열적 거동 제어를 통한 피부암의 광열치료 조건 최적화
Optimization of Photothermal Therapy Conditions for Skin Cancer by Controlling Optical/Thermal Behavior
초록/요약
광열치료는 열전달 현상인 광열효과를 이용한 새로운 항암치료 기법이다. 광열효과는 빛에너지가 열에너지로 변환되는 현상을 말하며, 이를 통해 기존 재래식 치료법과 비교하여 종양 부위를 직접 절개하지 않고 치료를 수행하기 때문에 출혈이 발생하지 않으며 회복이 빠르다는 장점을 지니고 있다. 광열치료는 온도 상승을 통해 종양 조직을 사멸시키며, 온도 대역에 따른 다양한 세포 사멸 형태중 43~50℃에서 발현된다고 알려져 있는 apoptosis를 최대로 발현시키는 것을 목표로 하고 있다. Apoptosis는 주변 조직에 영향을 끼치지 않고 스스로 세포가 사멸되는 형태를 말하며, apoptosis가 발현되는 온도 대역 이상에서 발생되는 necrosis와 비교하여 암 전이와 같은 위험성이 없다는 장점이 있다. 광열치료에서는 생체조직의 온도를 상승시키기 위하여 일반적으로 빛에너지로 대표되는 레이저를 활용하며, 다양한 파장대역 중 근적외선 영역의 레이저를 활용한다. 하지만 근적외선 영역의 레이저를 생체조직에 조사하는 경우, 조직의 광흡수계수가 낮기 때문에 이를 보완하고자 광흡수 증진제라는 물질을 종양조직에 주입한다. 광흡수 증진제는 특정 파장에서의 광흡수계수를 증진시키며, 이를 통해 근적외선 영역의 레이저를 활용하더라도, 원하는 온도대역까지 상승시킬 수 있게 된다. 광흡수 증진제는 다양한 물질로 제작이 가능하며, 그 중 생체적합성과 표면 개질의 편리성이 우수하며 인체에 대한 무해성등의 장점이 있는 금 나노 입자를 주로 사용한다. 최근 많은 연구자들이 광열치료에 대한 연구를 수행하고 있지만, 단순히 현상학적인 실험 결과만을 확인하거나 생물학적에서 통용되는 apoptosis를 관찰하지 않고 단순히 Arrhenius damage model을 사용하여 열적 피해 여부만을 확인하였다. 또한 광열치료는 열전달현상인 광열효과를 이용함에도 불구하고, 열전달적인 분석이 미흡한 상황이다. 이에 따라 본 연구는 열전달 이론을 기본으로 하여 다양한 조건에서의 광열치료에 대하여 최적의 치료 조건을 수치해석을 통하여 확인하였다. 매질 내 레이저 입자의 거동은 Monte Carlo 기법을 통해 분석하였으며, 금 나노 입자의 광학적 물성은 Discrete Dipole Approximation 기법을 통해 계산하였다. 또한 apoptotic variable을 통해 종양조직 내 apoptosis 발현 정도와 주변 정상조직의 열적 피해량을 정량적으로 계산하였다. 수치해석 모델은 in vitro, in vivo 실험 및 선행 연구와의 비교를 통해 검증하였으며, 이를 통해 광열치료를 수행하는 조건인 레이저의 세기, 반경, 프로파일과 종양의 크기 및 위치, 투입되는 금 나노 입자의 크기 및 형상, 레이저 조사 시간 및 냉각시간에 따라 최적의 치료 효과를 내는 조건들을 도출하였다. 이를 통해 추후 광열치료를 임상에서 수행함에 있어 최적 치료 조건을 위한 기준으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
more초록/요약
Photothermal therapy is a new anticancer treatment method using the photothermal effect, which is a heat transfer phenomenon. The photothermal effect refers to conversion of light energy into thermal energy, which has the advantage of no bleeding and rapid recovery because treatment is performed without incision in the affected area compared to conventional treatments. Photothermal therapy kills tumor tissue through an increase in temperature, and aims to maximize apoptosis, which is known to be expressed at 43~50℃ among various cell death forms according to the temperature range. Apoptosis refers to a form of cell death by itself without affecting surrounding tissues, and has the advantage of not having a risk such as cancer metastasis compared to necrosis that occurs above the temperature range where apoptosis is expressed. In photothermal therapy, a laser typically represented by light energy is used to raise the temperature of a biological tissue, and a laser in the near-infrared region among various wavelength bands is used. However, when irradiating a laser in the near-infrared region to a biological tissue, a substance called a light absorption enhancer is injected into the tumor tissue to compensate for the low light absorption coefficient of the tissue. The light absorption enhancer increases the light absorption coefficient at a specific wavelength, thereby increasing the temperature range to the target temperature range even if a laser in the near-infrared region is used. The light absorption enhancer can be made of various materials, and among them, gold nanoparticles are mainly used, which have advantages such as biocompatibility, convenience of surface modification, and harmlessness to the human body. Recently, many researchers have been conducting research on photothermal therapy, but only phenomenological experimental results have been confirmed. In addition, without observing apoptosis commonly used in biology, only thermal damage was confirmed using the Arrhenius damage model. In addition, heat transfer analysis is insufficient even though photothermal treatment uses a heat transfer effect. Accordingly, this study confirmed the optimal treatment conditions for photothermal therapy under various conditions through numerical analysis based on heat transfer theory. The behavior of the laser particles in the medium was analyzed using the Monte Carlo method, and the optical properties of the gold nanoparticles were calculated using the Discrete Dipole Approximation method. In addition, the degree of apoptosis maintenance in tumor tissue and the amount of thermal damage to surrounding normal tissues were quantitatively calculated through apoptotic variable. Numerical analysis models were verified through comparison with in vitro, in vivo experiments and previous studies, and conditions that produce optimal treatment effects were derived according to laser intensity, radius, profile and tumor size, size and shape of gold nanoparticles, laser irradiation time, and cooling time. Through this, it is expected that it can be used as a standard for optimal treatment conditions in clinically performing photothermal therapy in the future.
more목차
제 1 장 서론 1
제 1 절 연구 배경 1
제 2 절 연구 동향 및 분석 5
제 3 절 연구 목적 및 방법 11
제 2 장 해석 이론 및 광열치료 효과 분석 이론 12
제 1 절 금 나노 입자 및 생체조직의 광학 물성 12
제 2 절 Monte Carlo 시뮬레이션과 열전달 모델 16
제 3 절 Apoptotic variable 20
제 3 장 실험 및 선행 연구와의 비교를 통한 수치해석 모델링 검증 23
제 1 절 생체 모사 팬텀 실험을 통한 수치해석 검증 23
제 2 절 검증 실험 조건 및 방법 25
제 3 절 검증 실험 결과 31
제 4 절 BALB/c mouse를 활용한 in vivo 실험을 통한 검증 34
제 5 절 선행 연구들의 수치해석 결과와의 비교 검증 39
제 4 장 다양한 종양의 크기 및 위치에 따른 광열치료 효과 분석 44
제 1 절 수치해석 조건 44
제 2 절 GNPs의 부피분율에 따른 광 흡수 및 온도 분포 47
제 3 절 Apoptotic variable 분석 50
제 4 절 결론 58
제 5 장 다양한 GNPs의 형상 및 크기에 따른 광열치료 효과 분석 59
제 1 절 수치해석 조건 59
제 2 절 다양한 형상 및 크기의 GNPs에 따른 광학적 특성 분석 63
제 3 절 Apoptotic variable 분석 67
제 4 절 결론 76
제 6 장 다양한 치료 시간 및 냉각 시간에 따른 광열치료 효과 분석 77
제 1 절 수치해석 조건 77
제 2 절 다양한 냉각 시간에 따른 매질 내 온도변화 81
제 3 절 Apoptotic variable 분석 83
제 4 절 결론 88
제 7 장 레이저의 냉각시간 비율 변경에 따른 광열치료 효과 분석 89
제 1 절 수치해석 조건 89
제 2 절 다양한 냉각시간에 따른 종양 및 정상조직의 온도 변화 92
제 3 절 Apoptotic variable 분석 94
제 4 절 결론 99
제 8 장 다양한 레이저의 profile 및 반경 비율에 따른 광열치료 효과 분석 100
제 1 절 수치해석 조건 100
제 2 절 레이저의 profile 및 반경 비율에 따른 온도 변화 106
제 3 절 Apoptotic variable 분석 108
제 4 절 결론 115
제 9 장 GNPs의 부분 투입에 따른 광열치료 효과 분석 116
제 1 절 수치해석 조건 116
제 2 절 GNPs의 부분 투입에 따른 조직의 온도변화 119
제 3 절 Apoptotic variable 분석 121
제 4 절 결론 127
제 10 장 결론 128
참 고 문 헌 132
Abstract 144
