암치료는 절제술(수술), 화학적 치료(약물), 방사선 치료 등 크게 3가지로 구분된다.
문제는 암세포를 죽이는 치료과정에서 환자의 몸이 상하는 것이다.
그런데 정확하게 암세포만 죽이고 환자의 몸에는 전혀 해가 없는 획기적인 의료기술이 개발됐다. 바로 중입자가속기다.
중입자(중이온)는 원자에서 전자를 제거한 무거운 이온(원자핵)을 말한다.
가속기는 전자나 이온을 빛의 속도(초당 30㎞)로 빠르게 움직이게 하는 장치로 현대과학기술이 그대로 녹아있다.
가속기는 전자, 양성자, 중이온 중 무엇을 가속시키느냐에 따라 전자가속기, 양성자가속기, 중이온가속기 등으로 구분된다. 물질구조분석에 사용되던 이들 가속기 중 양성자가속기와 중이온가속기는 암치료용으로도 활용되고 있다.
특히 가장 최근에 개발되기 시작한 중입자가속기는 중입자(탄소)를 빛에 가까운 속력으로 가속시켜 몸속 암세포를 죽이지만 정상세포에는 거의 피해를 주지 않는 꿈의 암치료기로 확인되면서 일본과 독일에서는 이 기술이 이미 실용화단계에 들어갔다.
뛰어난 치료효과 이외에도 치료시간과 기간도 아주 짧아 환자가 일상생활로 빨리 복귀할 수 있는 장점 때문에 프랑스, 이탈리아, 중국, 오스트리아, 미국 등에서도 치료용 중입자 가속기를 건설중이거나 도입을 계획하고 있다.
유럽방사선종양학회의에 따르면 인구 1천만명 중 연간 2만명의 암환자가 방사선치료를 받는데 이중 양성자 치료는 12%(2천400명), 중입자 치료는 3%(600명)인 것으로 파악됐다.
독일 중부 다름슈타트시에 위치한 GSI는 중이온가속기만을 위한 연구소로 세계에서 처음으로 만들어졌다.
지난 2일 찾은 GSI의 한 연구실은 평범한 건물이었지만 중이온가속기를 이용해 암을 치료하는 설비가 설치된 곳이었다.
GSI에는 20MeV(초당 8천㎞)로 중이온을 가속하는 UNILAC 선형가속기와 2GeV(초당 5만㎞)로 중이온을 가속하는 SIS18 싱크로트론(원형가속기)을 보유하면서 입자충돌실험을 하고 있다.
이를 통해 고온 고밀도의 핵물질의 성질을 규명했으며 지금까지 발견되지 않은 새로운 원소를 발견, 주기율표를 확장시키는 성과를 올렸다.
GSI는 1997년부터 중이온가속기를 이용해 암치료 연구를 시작했다.
입자충돌실험을 기본으로 하면서 연간 3주 정도 중이온가속기를 암치료연구 용도로 사용한 GSI는 지난해 하이델베르그대학병원에 치료용가속기를 설치, 상용화하는데 성공했다.
마르코 듀란테 GSI 의료담당책임자는 "연구결과 암세포의 전이가 빠른 췌장암의 경우 치료효과가 없었지만 일반적인 암은 암의 사이즈에 따라 치료률이 차이가 나지만 치료효과가 있었다."라면서 "특히 중이온(탄소)이 양성자 보다 더 많은 암세포를 죽이는 것으로 확인됐다."라며 중이온가속기의 우월성을 강조했다.
호스트 슈테커 GSI 연구소장은 "중이온 빔의 정확한 에너지와 위치를 계산하는데 15~20분, 환자치료에는 2~5분밖에 걸리지 않는다."라면서 "어떠한 부작용도 없고 간편하게 치료받고 바로 귀가할 수 있는 장점 때문에 환자와 의사들의 만족도가 높다."라고 설명했다.
암에 걸린 임산부를 대상으로 한 실험에서 태아에 아무런 영향을 주지 않고 골반 주변의 암세포를 중이온가속기로 치료할 수 있다는 사실도 확인했다.
중이온가속기가 심장의 혈관을 뚫어주는 치료(부정맥)에도 사용되는 등 암치료 이외의 용도로도 활용되고 있다고 GSI는 소개했다.
1969년 설립된 이 연구소의 연간 예산은 1천억원이며 독일 연방정부에서 90%, 주정부에서 10%를 지원하고 있다. 1천명이 일하고 있는데 20% 정도가 박사학위를 갖고 있으며 50개국이 넘는 2천500명의 과학자와 기술자들도 이 곳에서 연구를 하고 있다.
GSI는 2007년 기존 가속기보다 높은 에너지로 중이온을 가속시킬 수 있는 차세대 중이온 및 양성자 가속기시설인 FAIR(Faciliy for Antiproton and Ion Research) 건설에 들어가 2017년 완공한다는 계획이다.
약 1조5천억원이 들어가는 FAIR 건설에는 독일은 물론이고 프랑스, 이탈리아, 러시아, 스페인, 영국, 중국 등 14개 국가들이 참여하게 된다. 스위스 제네바와 프랑스 국경에 맞물려 위치한 CERN은 가속기연구소의 메카로 불린다.
지난 3일 찾은 CERN은 규모 면에서는 독일의 GSI를 압도했다.
CERN 지하 100ｍ에는 직경 9㎞ 길이 27㎞ 규모의 원형터널이 만들어졌고 이곳에 지구상에서 가장 큰 가속기가 설치돼 2008년부터 가동에 들어갔다.
양성자를 7TeV까지 가속시킬 수 있는 강입자충돌가속기(LHC)가 바로 그것.
LHC는 무려 6조원이 투입돼 20년간의 공사 끝에 완성된 유럽의 물리학연구소의 심장같은 곳이다.
유럽공동체 20개국이 공동으로 운영하는 CERN은 연간 운영비만 1조2천억원이며 2천600명이 근무하는 세계 최대 물리학연구소다.
세계 80여개국 500여 대학에서 연간 8천500여명의 물리학자들과 연구원들이 방문, 공공연구를 수행하고 있는데 노벨상을 받은 연구자만 20명에 이르고 이중 물리학상이 7명을 받았다.
ATLAS와 CMS, ALICE, LHCb 등 4개국제공동연구팀이 프로젝트를 수행하고 있는 CERN에서는 LHC를 이용해 우주가 기원한 빅뱅 직후의 상태를 재현하는 실험이 진행되고 있다. 한국도 80여명의 석박사급 물리학자들이 CMS와 ALICE 프로젝트에 참여, 연구중이다.
지난해 11월부터 중성자충돌실험을 했고 최근에는 무거운 원소이면서 충돌시 에너지 방출이 높은 납을 충돌하는 실험을 통해 최초의 우주상태를 재현하는데 성공했다.
이 곳에서도 가속기를 활용한 암치료연구가 활발히 진행되고 있었다.
도메디코 캄피 CERN 가속기관리책임자는 "X선은 인체조직을 상하게 하지만 양성자와 중이온(탄소)가속기는 부작용이 전혀 없는 것으로 판명났다."라면서 "의료용 가속기 개발재단을 만들어 암치료와 진단장비를 만드는 연구하고 있으며 이탈리아와 오스트리아에 가속기 장비를 보급하거나 추진중에 있다."라고 말했다. 벨기에 브뤼셀에 본부를 둔 의료기회사 IBA(Ion Beam Application S.A)는 세계 최고수준의 암진단 및 암치료기기를 생산하는 기업으로 독일 지멘스와 일본 미쓰비시 등과 이 분야에서 치열한 경쟁을 벌이는 곳이다.
지난 8일 방문한 IBA에는 양성자가속기와 의료용 동위원소 생성기 등 첨단장비들이 제조, 기술진에 의해 조립되고 있었다.
IBA는 작은 규모로 입자를 가속할 수 있는 사이크로트론 방식으로 암진단 및 치료장비를 만드는 회사로 유명하다.
현재 이 회사에서 보급하고 있는 양성자가속기는 지름이 4.7ｍ에 불과해 면적측면에서 싱크로트론 방식의 기기보다 상대적으로 공간효율성이 높다.
장 마르크 앙드랄 IBA 치료책임자는 "암치료는 주위의 조직을 얼마나 보호할 수 있느냐가 관건"이라며 "탄소를 이용한 암치료가 가장 정확하고 효과가 높은 것으로 밝혀져 중입자가속기 개발에 박차를 가하고 있다."라고 말했다.
그는 "초전도자석을 사용할 경우 중입자가속기의 지름이 6.3ｍ에 불과하다."라면서 "중입자가속기의 기술이전과 공동연구를 조건으로 프랑스에 빔장비를 보급하는 것을 협의하고 있으며 4년 후에는 탄소를 이용한 암치료 장비를 실용화할 수 있을 것으로 기대하다."라고 설명했다. 국내에서는 저에너지의 소형 의료용 가속기 20여기가 개발됐고 포항공대에 2.5GeV 전자가속기(방사광가속기)가 1995년 개발돼 물질구조 분석용으로 운영중이다.
국립암센터에 양성자치료기(230MeV 사이클로트론)가 2007년 도입돼 암치료용으로 사용되고 있으며 경주에 원천기술 개발 및 생산용 양성자가속기(100MeV)가 2012년에 도입된다.
부산 기장군 동남권원자력의학원 인근에 치료용 중입자가속기가 2016년에 도입을 목표로 현재 설계와 기종선정을 위한 실무작업이 진행되고 있다.
국제과학비즈니스도시에도 기초과학에서부터 응용과학까지 세계를 선도할 수 있는 중이온가속기가 설치될 예정이서 세계 물리학계에서 관심을 갖고 있다.
유인권 부산대 물리과 교수는 "가속기는 현대과학의 총아"라며 "우리나라에도 중이온가속기가 도입되면 생물학, 핵물리, 기초과학도 응용할 수 있고 첨단의료기를 비롯한 우리의 생활에 일대 혁신이 일어날 것으로 기대된다."라고 말했다.
이수용 원자력의학원 정형외과 과장은 "수술과 방사선으로 치료할 수 없는 환자도 중입자 가속기로 치료가 가능하기 때문에 중입자 가속기가 개발되면 암치료에 획기적 발전이 기대된다."라고 말했다.
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