53. 두뇌수용체 영상용 양전자 방출 방사성의약품

두뇌는 신경세포로 구성이 되어 있다. 두뇌는 기억, 사고, 감정, 인지, 운동, 감각, 반사작용, 평형 등 인간 생명활동의 거의 모든 부분을 지배하고 조절한다. 이러한 작용은 신경세포 사이의 정보 전달에 의하여 이루어지고 정보전달을 이루어지게 하는 매개체는 신경전달물질 (neurotransmitter)이다. 신경전달물질은 한 신경에서 분비되어 다른 신경의 수용체에 결합함으로써 신호를 전달을 하게 된다.

두뇌의 부위에 따라 다양한 신경전달물질이 존재하고, 신경전달물질에 따라 서로 다른 수용체가 존재한다. 같은 신경전달물질이라고 해도 여러 가지 서로 다른 형태의 수용체가 존재할 수도 있다.

신경전달물질과 수용체는 각자 맡은 임무가 있어서 두뇌의 여러 가지 작용을 담당하고 있다. 따라서 이러한 신경전달물질과 수용체의 두뇌 속의 움직임 및 분포 양상을 관찰하면 두뇌의 연구에 큰 도움이 되고 각종 두뇌 질환 진단에도 사용이 가능할 것이다.

어떤 종류의 신경전달물질이 너무 적게 생산이 된다든지 아니면 수용체가 너무 줄어들었다든지 하면 그에 맞는 증상이 나타나게 될 것이다. 예를 들어 도파민의 생산이 줄어들면 운동 기능 조절 능력이 떨어져서 파킨슨병에 걸리게 된다는 것은 증명이 되어 있다.

그런데 살아 있는 사람의 두뇌 속에 있는 신경전달물질의 분포 양상을 영상으로 만들어 본다는 것은 현재 기술로는 불가능하고, 앞으로도 실행될 가능성이 매우 낮다. 왜냐하면 신경전달물질의 양이 극히 미량이면서 고정이 되어 있지 않고 움직이기 때문이다.

그러나 두뇌 속의 수용체 분포를 영상화 할 수는 있다. 수용체는 신경전달물질과 달리 신경세포의 세포막에 결합이 되어 있다. 따라서 이러한 수용체에 결합하는 물질에 방사성동위원소를 표지하여 투여하면 방사성동위원소가 결합하게 되고, 이러한 방사성동위원소의 분포를 영상으로 얻으면 되기 때문이다. 방사성동위원소법을 사용하지 않고 안정동위원소를 이용하여 MRI 영상을 얻는 방법도 생각해 볼 수는 있지만, MRI는 방사성동위원소를 이용한 영상법에 비하여 감도가 너무 떨어지기 때문에 영상이 불가능하다. 두뇌 세포에 존재하는 수용체는 신경전달물질보다도 훨씬 적은 양이 존재하기 때문이다.

두뇌 수용체를 영상화하는데 사용하는 방사성동위원소 표지 물질 즉, 방사성의약품은 다음과 같은 여러 가지 성질을 가져야 한다.

우선 지용성이 커야한다. 인체에 주사한 방사성의약품이 두뇌 세포에 까지 도달하려면 혈액뇌관문을 통과하여야 하는데 이를 위하여 지용성이 커야 하기 때문이다. 그런데 지용성이 너무 크면 다른 여러 가지 물질 특히, 혈장 단백질인 알부민과 같은 물질에 비특이적으로 결합하여 두뇌에 들어가는 율이 떨어진다. 따라서 적당한 정도의 지용성을 가져야 하는데, 그 정도를 log P 값으로 표시한다. P 값은 어떤 물질이 옥탄올과 물에 분포하는 정도를 비율로 나타낸 값인데, 예를 들어 옥탄올에 10 물에 2만큼 잘 분포하는 물질은 10/2=5 즉 P=5의 값을 갖는다. 이를 log를 취한 값이 log P 값이다. 일반적으로 log P가 1~3인 물질이 두뇌 영상용 방사성의약품으로 많이 사용된다. 즉 물보다 옥탄올에 10배에서 1000배 정도 더 잘 녹는 물질이라고 볼 수 있다.

그 다음으로 분자량이 작아야 한다. 지용성이 크더라도 분자량이 너무 크면 혈액뇌관문을 통과하기 어렵기 때문이다. 일반적으로 분자량이 500 이하가 좋고, 1000이 넘으면 거의 두뇌 수용체 영상용 방사성의약품으로는 사용되지 못한다고 볼 수 있다. 

또한 비방사능이 충분히 높아야 한다. 앞에서도 언급했지만 두뇌 수용체의 양은 극히 미량이다. 이러한 미량의 수용체를 영상화하려면 극히 미량의 방사성의약품이 결합하여도 충분한 방사선을 방출하여야 한다. 비방사능이 높으려면 반감기가 짧고, 무담체(carrier-free)인 방사성동위원소를 사용하여야 한다. 이러한 성질을 가진 것은 대부분 양전자 방출 핵종이다. 그 중 특히 반감기가 110분인 '불소-18'과 20분인 '탄소-11'이 적당하다. 반감기가 너무 짧으면 사용이 또한 곤란할 것이다.

방사성의약품을 인체에 주사하면 두뇌 수용체에 결합하게 되고, 결합하지 못한 방사성의약품은 두뇌에서 빠져나와야 하는데 이러한 과정에 시간이 걸리기 때문에 주사 후 충분한 시간을 기다린 다음에 영상을 해야 한다. 너무 빨리 영상을 얻으면 미처 두뇌에서 빠져 나오지 못한 방사성의약품 때문에 정확한 두뇌 수용체 영상을 얻을 수가 없다. 따라서 같은 양전자 방출 핵종이라도 반감기가 2분인 '산소-15'나 10분인 '질소-13' 같은 핵종은 기다리는 동안에 너무 빨리 방사능이 소멸되므로 두뇌 수용체 영상용 방사성의약품으로 사용되는 경우는 거의 없다.

마지막으로 가장 중요한 것은 특정 두뇌 수용체에 선택적으로 결합을 해야 한다는 것이다. 즉 두뇌 속에 있는 다양한 수용체 중 영상화하려고 하는 수용체를 골라서 결합하는 방사성의약품을 사용하여야 하는 것이다. 이러한 방사성의약품은 대부분 '불소-18'이나 '탄소-11'로 표지하여 합성이 가능하다. 일부 '요드-123'과 같은 감마선 방출 핵종을 표지한 방사성의약품도 수용체에 특이적으로 결합하기도 하지만 그 종류나 사용량이 제한적이다.

두뇌 수용체 영상용 양전자 방출 방사성의약품은 PET의 능력을 극대화하여 수많은 두뇌 기능 연구 및 질병 진단에 사용될 수 있는 잠재력을 가지고 있어, PET 연구의 꽃이라 할 수가 있으며, 가장 활발히 연구되고 있는 분야이기도 하다. 현재 연구되고 있는 두뇌 수용체 영상용 방사성의약품의 일부를 다음 표에 표시하였다.

◇ 두뇌 영상용 양전자 방출 방사성의약품
수용체	방사성의약품
도파민 D1	SCH23390, SKF83566
도파민 D2	raclopride, NMSP,
도파민 운반체	WIN-35428, FP-CIT, methylphenydate
세로토닌	altanserine, ketanserine
무스카린	dexetimide, QNB
아편 μ	carfentanil
아편 μ, δ, κ	cyclofoxy, deprenorpine
벤조디아제핀	flumazenil, fluoroflumazenil, fluoroethylflumazenil

2005년 5월 16일