중입자치료, '꿈의 암 치료기'?

연합뉴스 2017/09/25

서울대병원 기장에 의료용 중입자가속기 도입…2021년 암치료

"중입자 치료장비를 해외에서 도입해 2021년부터 환자 치료가 가능할 것으로 보고 있다".

일각에서는 '꿈의 암 치료기'라 불리는 이 중입자가속기 개발 사업이 올해 들어 본격적으로 추진되면서 관심이 높아지고 있습니다. 2010년부터 시작된 이 중입자가속기 개발사업은 1950억원이 투입되어 진행되고 있었으나, 예산 문제 및 운영권 문제 등으로 아직까지 언제부터 치료가 가능해질지 불투명한 상황이라고 알고 있습니다. 가끔 기존 치료에 실패한 암환자들이 희망을 안고 1억 이상의 비용을 대서 일본에 있는 중입자치료기에 치료를 하러 가기도 합니다.

이 중입자치료기가 대체 뭐길래 이리 난리인지, 실제로 '꿈의 암 치료기'라고 불릴만한 기계인지, 한번 살펴보겠습니다.

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1. 중입자치료란?

중입자(heavy particle)은 말 그대로, 무거운 입자입니다. 이전에는 원자가 물질을 구성하는 최소 단위의 입자로서 더 이상 분해될 수 없는 단위로 생각되었으나, 20세기 초에 원자가 다시 전자와 원자핵으로 이루져 있고, 또 원자핵이 양성자와 중성자로 이루어져 있다고 하여, 이들을 우주를 구성하는 기본적인 입자라고 여기게 되었습니다. 또 이후엔 양성자 조차도 더 쪼개져 내부 구조를 갖는다는 것을 알게되었고, 이러한 입자들을 통틀어 소립자 (elementary particle) 라고 합니다.

소립자는 질량에 따라 분류를 할 수 있는데, 경입자, 중간자, 중입자 가 그것입니다. 중입자에는 양성자, 중성자 등의 핵자, 중성자보다 질량이 큰 중핵자로 나뉩니다. 현재 일산 국립암센터에는 양성자치료기가 설치되어 있고, 암치료에 있어서 굉장히 중요한 역할을 하고 있습니다. 엄밀히 말하면 이 양성자도 중입자의 일종입니다.

하지만 위에서 중입자치료 라고 불리는 것은 엄밀히 말하면 탄소 이온을 이용해서 치료하는 방사선치료의 일종이며, 양성자 (수소 이온) 보다 12배나 무거운 탄소이온을 사용하기 때문에 좁은 의미의 무거운 입자, 중입자 라는 이름을 붙여서 중입자치료라고 불립니다.

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2. 중입자치료의 발견

중입자치료의 시초는 1946년 양성자치료를 제안했던 Wilson 선생님에게 거슬러올라갑니다.

그로부터 10년 후 캘리포니아에 로렌스 버클리 연구소 (Lawrence Berkeley Laboratory) 에서 실제 환자 치료를 시작하였습니다. 1954년에는 양성자로 그 후에 가벼운 원자 이온을 이용하기 시작하였습니다. 1957년부터 1974년까지는 헬륨 (원자번호 2번) 및 보다 무거운 이온을 사용하여 2천명 이상의 환자를 치료하였습니다. 1974년부터 1992년까지, 네온 이온 (원자번호 10번)을 이용해서 433명의 환자를 치료하였고, 그 후 이 연구소는 문을 닫습니다.

그동안 매우 적은 환자에서 탄소 이온 (원자번호 12번)을 이용해서 치료를 하였고, 이것이 최초의 중입자치료가 됩니다.

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3. 중입자치료가 왜 좋을까?

중입자치료의 장점을 정리하면 다음과 같습니다.

• 탄소 이온의 방사선량 분포의 우수성
  • 암부위에 도달할 때까지 정상조직에 조사되는 방사선량이, 기존 X-선에 비해 70% 이상 적고, 양성자치료에 비해서도 40% 이상 적다.
  • 암부위에 도달한 이후, 뒤에 위차한 정상조직에 방사선량 손상이 거의 없다.
    (양성자의 경우 전혀 없지만, 탄소이온의 경우 소량 조사된다).
  • 방사선량 분포가 좋아서, 기존 X-선처럼 여러 방향으로 나누어 방사선을 조사할 필요가 없어지고, 이로 인해 치료 시간이 단축된다.

• 탄소 이온의 생물학적 효과비선량의 우수성
  • 같은 방사선량으로 암에 대한 치료효과가 다른 종류의 방사선에 비해 2-3배 이상 높다.
  • 위의 이유로 암 치료를 위해 인체 내 토여하는 방사선량이 상대적으로 작다.

아래 그래프가 탄소 이온의 방사선량 분포가의 우수성을 보여줍니다. 우리 몸은 물과 밀도가 비슷하기 때문에, 보통 방사선물리 관련 실험을 할때 물을 가지고 많이 합니다. 4MV와 10MV 의 X-선의 경우, 몸 전체적으로 30-100%의 방사선량이 넓게 분포되는 반면, 탄소 이온의 경우 특정부위 (브래그피크 라고 부릅니다)에 방사선량이 집중되는 것을 볼 수 있습니다 (파란색 선).

Figure. 브래그 피크 (X-선 / 양성자 / 탄소 이온 비교)
출처: Perez and Brady's Principles and Practice of Radiation Oncology, 6th Edition. Chapter 20, Carbon Ions.

이러한 빔을 여러개 사용해서 중첩하면 아래와 같은 선량 분포가 나타납니다. 이를 SOBP (Spread-out Bragg peak) 라고 하는데, 저 고원 부분에 암을 위치하도록 조정하면, 암 부위에만 고선량의 방사선을 집중시킬 수 있게 됩니다.

Figure. SOBP (X-선 / 양성자 / 탄소 이온 비교)
출처: Perez and Brady's Principles and Practice of Radiation Oncology, 6th Edition. Chapter 20, Carbon Ions.

그런데 이러한 특성은, 기존의 양성자치료 (일산암센터에 있죠) 에서도 있으며, 특히 소아암 같은 방사선에 민감한 환아에게 이미 큰 장점으로써 쓰이고 있습니다. 하지만, 탄소 이온의 두번째 특성인 생물학적 효과비선량이 높다는 점에서, 기존 방사선에 반응저항성을 가지는 암에서도 치료가 가능하지 않을까 기대하고 있습니다.

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4. 어떤 암에 쓰일까?

현재로써는 아직 자료가 많이 부족하고, 접근성이 제한적이기 때문에, 주로 기존 방사선치료 효과가 거의 없는 난치성 암이나, 기존 방사선치료에 반응이 별로 없다고 알려진 암에서 임상시험이 진행되고 치료를 적용하고 있습니다.

• 두경부암
  • 샘낭암종, 흑색종, 육종 같은 방사선 저항성 종양에서 우수한 결과들이 보고되었습니다.
  • 두경부 육종의 경우, 일본 방사선의학총합연구소 (NIRS) 의 보고에 따르면, 국소제어율(3년, 92% vs 24%) 과 생존률 (3년, 74% vs 43%)에서 기존 방사선치료에 비해 월등하게 우수한 차이를 보였습니다.
  • 샘낭암종의 경우, 독일 하이델베르그 치료센터 (HIT) 의 보고에 따르면, 국소제어율 (4년, 78% vs 25%)과 생존률 (4년, 53% vs 23%) 이 기존 방사선치료 비해 우수한 차이를 보였습니다.

• 육종 (sarcoma) 과 척삭종 (chrdoma)
  • 골육종, 척삭종, 연골육종, 후복막육종 등의 기존 방사선치료가 어려운 환자에서 탄소 이온은 더 적은 부작용과 더 높은 국소 제어율 및 생존율을 보였습니다.

• 뇌수막종 (meningioma)
  • 독일 HIT, 일본 NIRS에서 각각 뇌수막종에 대한 경험을 보고한 바가 있고 두 연구 모두 더 높은 국소 제어율과 생존율을 보고한 바가 있습니다.

• 성상세포종 (astrocytoma) 및 교모세포종 (glioblastoma)
  • 일본 NIRS 에서 2등급 성상세포종에 대해 우수한 성적을 보고한 바가 있습니다.
  • 교모세포종에 대해서는 독일 HIT 에서 현재 2상 임상시험이 진행중입니다.

• 폐암
  • 초기 비소세포폐암은 기존에 폐를 절제하는 수술을 하였지만, 최근 방사선수술로 부작용 및 수술합병증 없이 비슷한 치료결과를 얻을 수 있게 되어, 이에 대한 많은 연구가 진행중입니다. 중입자치료 역시 이에 대한 대안으로써 역할을 할 수 있지 않을까 기대하며 임상시험이 진행되고 있습니다.

• 간암
  • 수술을 할 수 없는 간암의 경우, 현재 치료 및 성적이 매우 제한적입니다. 이에 화학색전술, 방사선치료, 표적치료제 등을 이용하여 치료를 하고는 있지만, 그 성적이 만족스럽지 못한 실정입니다. 중입자치료의 경우, 치료를 시행한 부위의 국소제어율은 94-96%에 이르렀습니다. 향후 더 폭넓은 치료 가능성을 기대하고 있습니다.

• 전립선암
  • 일본 NIRS 에서 1300명 이상의 환자에 대해 12회의 치료로 3주만에 끝내는 스케줄로 임상시험이 진행되고 있습니다. 기존의 방사선치료의 경우 7-8주 정도로 치료기간이 깁니다. 3주 중입자 치료 스케줄의 선행 결과에서는 높은 무병 생존율을 보고하였습니다.

• 그밖에 재발한 직장암, 췌장암 등에서도 중입자 치료가 쓰인 바가 있습니다.

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5. 어디서 중입자 치료를 하고 있을까?

현재 일본 4대, 독일 1대, 이탈리아 1대, 중국 1대가 운영중이며, 현재 한국 (부산 기장군)과 오스트리아에서 건설을 추진중에 있습니다.

• 독일 하이델베르그 이온가속 치료센터 (HIT) Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrum (HIT), Heidelberg:
  http://www.hit-heidelberg.com

• 이탈리아 국립 종양 이온치료센터 (CNAO) TERA foundation:
  http://www.tera.it/

• 오스트리아 MedAustron 이온치료연구센터 (MedAustron) MedAustron, Wiener Neustadt:
  http://www.ebgmedaustron.at/index.php

• 일본 방사선의학총합연구소(NIRS) HIMAC, Chiba:
  http://www.nirs.go.jp/ENG/particl.htm

• 일본 효고현 이온빔 치료센터(HIBMC) Hyogo Ion Beam Medical Centre:
  http://www.hibmc.shingu.hyogo.jp/english/aisatu-e_top.htm

• 일본 군마대학 중이온 치료센터(GHMC) GHMC, Gunma Univ Heavy Ion Med Center:
  http://heavy-ion.showa.gunma-u.ac.jp/en/index.html

• 일본 큐슈 국제 중입자 암 치료센터 (SAGA HIMAT) SAGA Heavy Ion Medical Accelerator in Tosu :
  http://www.saga-himat.jp

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이 글을 읽고 나서, 중입자치료에 대해 어떻게 생각하게 되셨나요?

제가 생각하기로는, 모든 암에 대해서 다 우수하진 않지만, 기존의 암치료에서 해결해주지 못하는 부분들에 분명히 도움이 될 수 있다고 전망합니다. 하루빨리 우리나라에도 중입자치료가 가능해져서 각종 난치암 환자에게 조금이라도 더 도움이 됐으면 합니다.

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Reference

1. 연합뉴스 2017/09/25, "서울대병원 기장에 의료용 중입자가속기도입...2021년 암치료"
2. Perez and Brady's Principles and Practice of Radiation Oncology, 6th Edition. Chapter 20, Carbon Ions.
3. Jingu K, Tsujii H, Mizoe JE, et al. Carbon ion radiation therapy improves the prognosis of unresectable adult bone and soft-tissue sarcoma of the head and neck. Int J Radiat Oncol Biol Phys2012;82(5):2125–2131
4. Schulz-Ertner D, Nikoghosyan A, Didinger B, et al. Therapy strategies for locally advanced adenoid cystic carcinomas using modern radiation therapy techniques. Cancer 2005;104:338–344.
5. Adeberg S, Hartmann C, Welzel T, et al. Long-term outcome after radiotherapy in patients with atypical and malignant meningiomas—clinical results in 85 patients treated in a single institution leading to optimized guidelines for early radiation therapy. Int J Radiat Oncol Biol Phys 2012;83(3):859–864.
6. Miyamoto T, Baba M, Sugane T, et al. Carbon ion radiotherapy for stage I non-small cell lung cancer using a regimen of four fractions during 1 week. J Thorac Oncol 2007;2:916–926.
7. Tsuji H, Mizoguchi N, Toyama S, et al. Carbon ion radiotherapy for prostate cancer. Proceedings of NIRS-ETOILE 2nd Joint Symposium on Carbon Ion Radiotherapy, November 25–27, 2011, Centre ETOILE, Lyon, France.

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