방사선 치료 대체할 수 있는 새로운 초고속 암 치료법

현재 개발 중인 이 새로운 치료법은 기존 방사선 치료보다 부작용이 적으면서도 더 광범위한 암을 치료할 수 있습니다. 치료 시간이 1초도 채 걸리지 않습니다.

스위스 제네바 외곽의 광활한 지하 동굴에서 언젠가 차세대 방사선 치료기로 이어질 수 있는 실험이 진행되고 있습니다. 이러한 장치를 통해 복잡한 뇌종양을 치료하고, 멀리 떨어진 장기로 전이된 암을 제거하며, 일반적으로 암 치료가 인체에 미치는 피해를 제한할 수 있을 것이라는 희망이 있습니다.

이러한 실험의 본거지는 입자를 빛의 속도에 가깝게 가속할 수 있는 27킬로미터(16.7마일) 길이의 초전도 자석 고리인 대형 강입자 충돌기를 개발한 입자 물리학 허브로 전 세계에 잘 알려진 유럽입자물리연구소(Cern)입니다.

2012년 다른 입자에 질량을 부여하여 우주에 존재하는 모든 것의 기초를 마련하는 이른바 '신의 입자'로 불리는 힉스 입자를 발견한 것이 Cern의 가장 큰 업적이라고 할 수 있습니다. 그러나 최근에는 고에너지 입자를 가속하는 이 센터의 고유한 전문성을 바탕으로 암 방사선 치료라는 새로운 틈새 시장을 개척했습니다.

11년 전, 현재 제네바 대학병원(Hug)에서 근무하는 방사선 생물학자인 마리-캐서린 보제닌과 다른 연구자들은 기존 방사선 치료의 패러다임을 바꾸는 접근법을 설명하는 논문을 발표했는데, 이를 플래시라고 불렀습니다. 이들은 1초 미만의 노출로 초고선량으로 방사선을 조사하여 설치류의 종양을 파괴하면서도 건강한 조직을 살릴 수 있다는 것을 보여주었습니다.

그 영향은 즉각적이었습니다. 국제 전문가들은 이를 획기적인 발견이라고 평가했으며, 전 세계의 동료 방사선 생물학자들이 설치류, 반려동물, 그리고 현재 인간의 다양한 종양 치료를 위해 플래시 접근법을 사용하여 자체 실험을 수행하도록 자극을 주었습니다.

플래시 개념은 전체 암 환자의 3분의 2가 치료 과정에서 언젠가는 받게 되는 가장 일반적인 암 치료법 중 하나인 방사선 치료의 오랜 한계를 해결한다는 점에서 큰 반향을 불러일으켰습니다. 일반적으로 2~5분 동안 X-선 또는 기타 입자 빔을 투여하여 전달되며, 총 선량은 환자가 견딜 수 있도록 최대 8주 동안 수십 번의 개별 치료 세션에 걸쳐 분산하여 투여하는 것이 일반적입니다.

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지난 30년 동안 첨단 영상 스캔과 최첨단 방사선 치료기 덕분에 개별 종양을 더욱 정밀하게 표적화할 수 있게 되었습니다. 하지만 손상이나 치명적인 부작용의 위험은 여전히 존재합니다.

보제닌은 소아 뇌종양의 예를 들며, 방사선 치료로 뇌를 폭파하여 치료할 수 있는 경우가 많지만 막대한 대가를 치러야 한다고 말합니다. “생존자들은 종종 평생 불안과 우울증에 시달리며, 방사선의 영향은 뇌 발달에 영향을 미쳐 아이큐를 크게 떨어뜨리기도 합니다."라고 그녀는 말합니다. “우리는 때때로 이 아이들을 치료할 수 있지만 그들이 지불하는 대가는 높습니다.”

미국 스탠포드 대학교 의과대학에서 플래시 과학 연구소를 운영하는 방사선 종양학 교수인 빌리 루는 종양, 특히 크기가 큰 종양은 주변 조직과 깔끔하게 분리되는 경우가 드물다고 설명합니다. 즉, 건강한 세포를 해치지 않는 것이 거의 불가능에 가깝기 때문에 종양학자들은 원하는 만큼의 고용량을 사용할 수 없는 경우가 많다고 Loo는 말합니다.

보제닌에 따르면 암 전문가들은 방사선량을 높일 수 있다면 치료가 어려운 암 환자를 치료할 수 있는 능력이 크게 향상될 것이라고 오랫동안 믿어 왔습니다. 예를 들어, 종양이 뇌로 전이된 폐암 환자의 방사선량을 늘리면 생존율을 향상시킬 수 있다는 연구 결과가 발표된 바 있습니다.

최근 몇 년 동안 동물 실험을 통해 플래시가 신체에 전달되는 방사선량을 현저히 증가시키면서도 주변의 건강한 조직에 미치는 영향을 최소화할 수 있다는 사실이 반복적으로 밝혀졌습니다. 한 실험에서 플래시를 통해 두 차례 방사선을 조사받은 건강한 실험용 쥐는 두 번째 조사에서 예상되는 일반적인 부작용이 나타나지 않았습니다. 또 다른 연구에서는 두경부암에 대해 플래시 치료를 받은 동물은 침 분비 감소나 삼키기 어려움과 같은 부작용이 더 적게 발생했습니다.

루는 앞으로 이러한 이점이 인간 환자에게도 적용될 수 있을 것이라고 조심스럽게 낙관합니다. “플래시는 기존 방사선 조사보다 정상 조직 손상이 적으면서도 항종양 효과는 떨어뜨리지 않으므로 획기적인 치료법이 될 수 있습니다."라고 그는 말합니다. 또 다른 희망은 나중에 방사선으로 인한 손상으로 인한 이차 암의 위험을 줄일 수 있다는 것이지만, 아직 그 여부를 알기에는 너무 이르다는 것입니다.

현재 전 세계적으로 점점 더 많은 수의 인간 대상 임상시험이 진행되고 있습니다. 미국 오하이오주 신시내티 아동병원에서는 가슴뼈에 전이된 전이성 암 어린이를 대상으로 초기 단계의 임상시험을 계획하고 있습니다. 한편 스위스 로잔 대학 병원의 종양 전문의들은 국소 피부암 환자를 대상으로 최적의 용량, 치료 효과, 부작용 여부 등 세부 사항을 세밀하게 검토하는 2상 임상시험을 진행하고 있습니다.

하지만 다음 단계의 연구는 플래시가 사람에게 효과가 있는지 테스트하는 것만이 아닙니다. 또한 어떤 종류의 방사선을 사용하는 것이 가장 좋은지 파악하는 것도 중요합니다.

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입자 선택

탄소 이온부터 양성자 및 전자까지, 방사선 치료를 전달하는 방법에는 여러 가지가 있으며 각기 다른 응용 분야와 과제가 있습니다. 가장 정밀한 형태의 방사선 치료 중 하나는 탄소 이온으로 전달되는 하드론 치료입니다. 하지만 전 세계에서 이 치료를 제공할 수 있는 시설은 14곳에 불과하며, 각 시설당 약 1억 5천만 달러(1억 2천 2백만 파운드)의 비용이 소요됩니다. 현재 이 치료법은 방사선이 몇 분에 걸쳐 전달되는 기존의 투여 방식을 통해 전달됩니다. 하지만 플래시 프로토콜을 사용하면 1초 이내에 이온이 전달됩니다.

“고에너지 전자는 피부의 표재성 종양을 치료하는 데 사용할 수 있습니다."라고 Hug의 방사선 종양학자인 안드레 단테 더럼 파이브르(André-Dante Durham Faivre)는 말합니다. “광자, 즉 X-선이나 양성자(아원자 입자의 일종)는 더 깊은 종양을 치료하는 데 사용할 수 있지만, 탄소 이온과 헬륨 입자는 이러한 유형의 치료를 제공할 수 있는 매우 큰 임상 센터에서만 가능하므로 매우 특수한 경우를 위해 저장합니다. 탄소 이온 방사선 치료를 시행하는 데 필요한 입자 가속기는 건물 한 채 크기입니다.”

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이것은 플래시 치료의 까다로운 문제 중 하나입니다. 아원자 입자를 생성하려면 매우 복잡한 입자 가속기가 필요하기 때문에 현재로서는 전문 센터의 방대한 장비를 통해서만 이 치료를 제공할 수 있으며, 이는 비용이 많이 듭니다. 따라서 환자들은 치료를 위해 장거리 이동을 해야 할 가능성이 높으며, 연구자들은 언젠가 플래시가 필요한 모든 사람에게 제공되기를 희망하지만, 현재로서는 양성자 치료와 같은 치료법은 상대적으로 소수의 환자만 이용할 수 있습니다.

지금까지 양성자는 체내 30cm(12인치)까지 침투할 수 있어 비교적 깊은 내부 장기에 도달할 수 있고, 기존의 양성자 방사선 치료기를 비교적 쉽게 개조하여 플래시 선량을 제공할 수 있기 때문에 인간 플래시 임상시험에 선택된 입자였습니다.

2020년 신시내티 대학교 의료 센터는 원발성 암이 뼈로 전이된 환자를 대상으로 플래시 양성자 방사선 치료의 첫 임상 시험을 시작했으며, 초기 결과 치료 효과는 기존 방사선 치료와 비슷하고 부작용 발생률도 비슷하다는 것을 보여주었습니다. 현재 펜실베니아 대학교 페렐만 의과대학의 방사선 종양학자들은 올해 말 재발성 두경부암 환자를 대상으로 자체 임상시험을 시작할 계획입니다.

“이 환자들은 수술로 종양을 제거할 수 없기 때문에 다른 선택지가 거의 없는 환자입니다."라고 이 임상시험을 주도할 펜실베이니아 대학교의 방사선 종양학 교수인 알렉산더 린은 말합니다. “다른 표준 방사선 치료 과정을 거치게 되면 턱 골절, 구강 상처, 경동맥의 치명적인 손상과 같은 위험한 부작용이 발생할 수 있습니다. 양성자 플래시는 독성이 덜할 것으로 믿습니다.”

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실제 적용 과제

그러나 더럼 파이브르는 양성자 플래시가 향후 규제 당국의 승인을 받게 된다면 필요한 기계가 여전히 상대적으로 커서 일부 센터에서만 치료를 시행할 수 있어 환자의 접근이 제한될 수 있다는 단점이 있다고 말합니다.

현재 Cern은 로잔 대학 병원 및 프랑스 회사 TheryQ의 연구원들과 협력하여 플래시 선량 속도로 훨씬 더 많은 방사선(매우 높은 에너지 전자로 설명)을 전달하는 새로운 형태의 가속기를 개발하기 위해 노력하고 있습니다. 더럼 파이브르에 따르면, Hug 연구진은 현재 X-선 플래시 기계를 개발하기 위해 상업 파트너와 논의 중이라고 합니다.

이러한 가속기를 사용하면 거대한 기계 없이도 플래시의 이점을 심부 종양에 적용할 수 있다고 더럼 파이브르는 말합니다. 궁극적인 목표는 방사선 치료 장비를 갖춘 모든 병원에서 플래시를 제공할 수 있도록 하는 것입니다. “우리는 X-레이 플래시 장비가 머지않아 기존의 기존 X-레이 장비를 대체할 수 있다고 믿습니다."라고 그는 말합니다.

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특히 더럼 파이브르는 최신 가속기를 통해 종양학자들이 가장 흔한 형태의 뇌암이자 5년 생존율이 5%에 불과한 가장 치명적인 질병 중 하나인 교모세포종과 같은 더 복잡한 종양에 대처할 수 있을 것으로 낙관하고 있습니다.

신시내티 대학의 실험에 이어 종양학자들은 플래시 머신이 다양한 형태의 전이성 질환(암이 원래 위치에서 전이된 경우) 치료를 개선하고 이전에는 불치병으로 여겨졌던 환자를 실제로 치료할 수 있기를 희망하고 있습니다. 루는 플래시를 사용하여 원발성 및 이차성 종양을 파괴한 다음 화학 요법이나 면역 요법을 통해 질병을 퍼뜨리는 미세한 암세포를 제거할 수 있을 것으로 예상합니다.

더럼 파이브르는 “전이성 암은 확산 분포로 인해 신체의 많은 부위를 침범합니다.”라고 말합니다. 이는 모든 암세포를 죽일 수 있을 만큼 충분한 방사선을 신체 조직에 전달할 수 없기 때문에 일반적으로 치료가 어렵다는 것을 의미한다고 그는 설명합니다. 그렇게 되면 환자는 이전에 건강했던 조직에 대한 방사선의 영향에서 살아남지 못할 수도 있습니다. 하지만 최근의 치료법은 특히 전이가 제한적인 환자에서 이러한 상황을 바꾸고 있다고 그는 말합니다. “플래시는 더 많은 전이를 안전하게 치료할 수 있는 가능성을 제시합니다."라고 그는 말합니다.

또 다른 희망은 플래시가 궁극적으로 모든 사람이 방사선 치료에 더 쉽게 접근할 수 있도록 도울 수 있다는 것입니다.

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방사선 치료의 격차

작년 9월 전 세계 암 전문가들이 모이는 컨퍼런스인 UICC 세계 암 회의에서 비영리 단체인 바이오 벤처스 포 글로벌 헬스의 부회장인 케이티 그레이프(Katy Graef)는 '방사선 치료 격차'라고 불리는 세계 보건의 주요 과제를 강조했습니다.

그레이프는 랜싯 종양학 위원회에서 수집한 데이터를 사용하여 사하라 이남 아프리카 전체에 방사선 치료기가 195대에 불과한 반면 미국과 캐나다에는 4,172대에 달한다고 설명했습니다. 2040년까지 아프리카 대륙의 연간 암 발병률과 사망률이 두 배로 증가할 것으로 예상되는 가운데, 향후 20년 동안 이 지역에 5,000대 이상의 장비가 추가로 필요할 것으로 예상되는데, 많은 국가가 이를 감당하기 어려울 것으로 보인다고 설명했습니다.

12월에 발표된 전 세계 국가 암 관리 계획에 대한 새로운 검토에서는 방사선 치료 격차가 아프리카를 넘어 많은 저소득 및 중저소득 국가로 확대되고 있음을 강조했습니다. “저소득 국가의 암 환자 중 약 10%만이 방사선 치료를 받을 수 있는 반면, 고소득 국가에서는 90%가 방사선 치료를 받을 수 있습니다."라고 국제원자력기구의 암 치료 행동 프로그램 책임자이자 논문 저자 중 한 명인 Lisa Stevens는 말합니다. “방사선 치료를 암 관리 전략에 통합하는 것이 그 어느 때보다 중요해졌습니다.”

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이러한 통계의 이면에 있는 문제는 단순한 기계 비용 그 이상입니다. 덥고 습한 환경에서는 방사선 치료 입자 가속기가 자주 고장 나고, 숙련된 기술자가 거의 없기 때문에 수리에 시간이 오래 걸릴 수 있습니다. 이에 따라 국제암전문가단(ICEC)은 Cern 및 여러 영국 대학과 협력하여 결함을 사전에 예측하고 유지보수를 간소화할 수 있는 통합 소프트웨어를 갖춘 차세대 가속기를 개발하여 각국이 가동 중단 시간을 최소화함으로써 보유하고 있는 기계를 최대한 활용할 수 있도록 하는 '프로젝트 스텔라'라는 이니셔티브를 출범시켰습니다.

하지만 더럼 파이브르는 플래시 머신이 궁극적으로 저소득 및 중산층 국가에 거주하는 암 환자들이 필요한 치료를 더 쉽게 받을 수 있도록 하는 역할도 할 수 있을 것이라고 낙관합니다. 여러 번의 방사선 치료를 받기 위해 며칠 또는 몇 주에 걸쳐 장거리 이동을 반복해야 하는 대신, 플래시를 사용하면 단 한 번의 세션 또는 몇 번의 세션으로 모든 치료를 받을 수 있습니다. 각 치료가 1초도 채 걸리지 않기 때문에 의사는 하루에 더 많은 환자를 치료할 수 있습니다.

“전 세계 모든 병원 벙커에 들어갈 수 있고 플래시를 투여할 수 있는 일반 크기의 기계를 구할 수 있다면 각국에서 더 많은 환자를 치료할 수 있습니다."라고 더럼 파이브르는 말합니다. “하루에 50명의 환자를 치료하는 대신 150명을 치료할 수 있다면 공중 보건 수요를 처리할 수 있는 능력이 크게 늘어나는 것입니다.”

많은 전문가들은 고소득 국가에 상당한 비용 절감 효과를 가져올 뿐만 아니라 환자들의 삶의 질도 크게 개선될 수 있다고 생각합니다.

미국 펜실베이니아대학교 페렐만 의과대학의 방사선 종양학 교수인 콘스탄티노스 쿠메니스는 “초기 투자가 이루어지면 훨씬 적은 수의 치료가 필요하기 때문에 비용 효율성이 더 높은 치료법이 될 것입니다.”라고 말합니다. 또한 합병증으로 인한 입원 횟수가 줄어들어 의료 시스템 비용도 절감할 수 있다고 그는 덧붙입니다.

쿠메니스는 첫 번째 단계는 플래시가 얼마나 좋은지, 그리고 실제로 표준 방사선 치료보다 더 나은지 조사하는 것이라고 설명합니다.