원자란 화학반응을 통해 더 이상 쪼개질 수 없는, 물질을 구성하는 기본 입자다. 원자는 얼마나 작을까? 일반적으로 원자의 크기는 0.1㎚(나노미터)로 원자 1억 개를 한 줄로 세워야 겨우 1㎝가 된다. 흔히 알려져 있듯 원자는 원자핵과 그 주변을 도는 전자로 구성되며 원자핵은 양성자와 중성자로 이뤄져 있다. 자연 상태에서 같은 양성자 수를 가지나 중성자 수가 다른 다양한 원소를 서로 동위원소라 부르는데, 양성자와 중성자 비율에 따라 안정한 동위원소가 되기도, 불안정한 방사성동위원소가 되기도 한다.

방사성동위원소가 내보내는 방사선의 에너지를 사용

방사성동위원소는 의료, 산업, 농업 및 식품 가공 등 다양한 분야에서 이용되고 있다. 특히 의료 분야에서의 활약이 두드러지는데, 종양 치료나 혈액 검사 같은 체외 진단에 주로 활용된다. 그렇다면 의료용 방사성동위원소는 어떤 특성 차이로 치료용과 진단용으로 나뉘어 사용되는 걸까? 바로 방사성동위원소가 내보내는 방사선의 에너지 성질에 따른 차이다. 방사선은 보이지 않는 광선과 같은데, 갖고 있는 에너지가 커서 물질을 통과하며 이온화시키는 방사선을 ‘이온화 또는 전리 방사선’이라고 부른다. 가시광선, 마이크로파, 라디오파, 적외선, 자외선 등 이온화 능력이 없는 방사선은 ‘비이온화 또는 비전리 방사선’이라고 정의한다.

의료용으로 사용하는 방사성동위원소는 알파선, 베타선, 감마선과 같은 이온화 방사선을 방출한다. 종이 한 장도 투과하지 못하지만 에너지는 가장 큰 알파선과 역시 투과력은 강하지 않지만 빛보다 빠른 베타선은 주로 종양 치료에 사용한다. 엑스선과 같은 전자기파인데 물질을 투과하는 능력이 엑스선보다 훨씬 강한 감마선은 주로 영상 촬영(체내 진단 또는 핵의학 영상진단) 및 혈액검사 등을 통한 질병의 진단에 사용한다.

정상세포 손상 최소화하며 암세포 등을 선택적으로 공격

방사성동위원소 치료의 대표적 예가 방사성 아이오딘(Iodine-131)을 이용한 갑상샘암 또는 갑상샘기능항진증 치료다. 아이오딘은 흔히 요오드라고도 불리는데, 미역 등 해조류에 풍부하고 섭취 후에는 갑상샘에 축적돼 갑상샘 호르몬을 만드는 데 사용된다는 특징이 있다. 방사성 아이오딘은 천연 아이오딘과 화학적 성질이 같지만 방사선을 방출한다. 이 때문에 방사성 아이오딘을 먹으면 똑같이 갑상샘에 축적되는데, 방출되는 방사선의 에너지에 의해 갑상샘의 종양을 파괴하는 치료 효과가 있다. 방사성 아이오딘을 이용한 갑상샘 질환의 치료는 세계적으로 오래전부터 사용돼 효과와 안정성이 입증됐다.

이렇듯 방사성동위원소를 치료에 사용할 때는 종양의 특성, 크기, 미세 환경(현미경으로만 볼 수 있는 아주 작은 환경) 등 상황에 맞게 반감기, 물리적 성질, 방출하는 에너지의 특성을 고려해 선택한다.

특히 최근에는 생명과학 기술의 발전으로 새로운 바이오마커(Biomarker)에 대한 여러 정보가 공개됨에 따라 이를 활용한 방사성 표적 치료 연구가 활발히 이뤄지고 있다. 바이오마커는 몸속 정상 세포와 달리 종양 세포에 많이 존재하는 단백질이나 저분자 물질을 일컫는데, 여기에 방사성동위원소를 붙여 종양 세포를 스스로 찾아가게끔 만들 수 있다. 이런 형태의 방사성 약품은 정상세포의 손상을 최소화하면서 암세포 등을 선택적으로 사멸한다. 방사성동위원소를 이용한 치료는 외과적 수술 없이도 높은 효과를 보여, 치료적 활용에 대한 관심이 나날이 증가하고 있다.

엑스선보다 투과력 뛰어난 감마선은 체외진단에 활용

감마선을 방출하는 방사성동위원소는 주로 체외 진단에 활용한다. 체외 진단 검사는 혈액, 체액과 같은 시료에서 특정 바이오마커를 극미량 검출해 몸 밖에서 신속하게 병을 진단하는 기술이다. 기존에 내시경, 조직검사를 통해 확인해야 했던 질병을 더욱 신속하고 간편하게 진단할 수 있어 잠재력이 크다. 효소면역측정법, 형광면역측정법, 방사면역측정법 등 다양한 검사법이 개발돼 널리 활용되고 있다.

이 중 방사면역측정법(Radioimmunoassay, RIA)은 측정 시료와 방사성동위원소의 항원항체 반응(병원균 등 항원과 이것에 대항하는 항체 사이 일어나는 반응과 현상)을 이용해 질병 유무를 진단한다. 다른 측정법에 비교해 나노그램(ng) 수준까지 측정할 수 있어 훨씬 정확하다는 장점을 지닌다. 이 때문에 체외 진단 기술 시장을 선도하려면 방사면역측정법에 대한 원천기술 개발 및 확보가 필수다.