산소의 "미세기포"가 방사선 치료제를 더 효과적으로 만들 수 있을까?

2018년 2월 20일 : 국립암연구소

쥐 실험의 새로운 연구는 미세하고 산소를 운반하는 기포가 유방암 치료를 개선하는데 도움이 될 가능성을 제기한다.

국립암연구소가 후원한 연구에서 연구원들은 종양 내의 산소량을 증가시키기 위해 이러한 "미세기포"와 초음파를 사용했다. 그들은 이 치료법이 쥐의 유방종양 성장을 늦추는 방사선 요법의 능력을 크게 향상시켰다는 것을 발견했다. 이 접근법은 방사선 치료를 받기 전에 미세한 기포 시술을 받지 않은 쥐에 비해 암의 무 진행 생존을 증가시켰다.

이 새로운 연구는 1월 21일 국제 방사선 종양학 저널의 *Biology*Physics에 발표되었다.

만약 이 접근법이 인간에게 응용될 수 있다면, "우리는 종양을 치료하는데 있어서 부작용 없이 방사선으로 훨씬 더 많은 '투자 대비 이익'을 잠재적으로 얻을 수 있을 것이다,"라고 이 연구의 수석 연구원인 토마스 제퍼슨 대학의 존 아이젠브레이 박사가 말했다.

방사선요법의 활성화를 위한 산소 공급

방사선 요법은 현대 암 치료의 주축이다. 예를 들어, 유방암에 걸린 모든 여성의 약 절반이 치료 중 어느 시점에서 방사선을 조사받을 것이다.

그러나 많은 종양들은 방사능의 세포 박멸 효과에 저항한다. 이러한 저항성의 대부분은 종양에서 종종 발견되는 낮은 산소 수치에 의해 야기된다. 즉 산소는 방사선 치료로 암세포를 죽이는 활성산소라는 분자를 생성하기 위해 필요하다. 종양 내의 산소 수치가 낮을 때 방사선 치료는 덜 효과적이다.

수십 년 동안 연구원들은 종양 내 산소량을 증가시키는 다양한 방법을 실험해 왔다고 이 연구에 참여하지 않은 NCI의 암 치료 및 진단 부서의 방사선 치료 개발과의 에릭 버나드 박사는 말했다.

이러한 접근법은 방사선 치료 전에 환자들을 고압(산소)실에 넣는 것에서부터 혈류나 산소를 운반하는 혈액 세포의 수를 증가시키는 약물에 이르기까지 다양하다고 아이젠브레이 박사는 설명했다.

안타깝게도 인체는 혈중 산소 수치를 일정하게 유지하도록 만들어져 있기 때문에 이러한 체계적인 접근은 대부분 실패했다"고 그는 덧붙였다. 그래서 그의 팀은 의료 영상촬영에 사용되는 적혈구의 크기를 구성하는 미세기포가 산소를 종양으로 운반하는 국소적이고 기계적인 방법으로 작용할 수 있는지 알아보기로 결정했다.

미세기포를 제조한 후에, 연구원들은 초음파 펄스에 의해 촉발된 기포가 인간의 유방암에 걸린 쥐의 종양 조직으로 산소를 운반할 수 있는지 여부를 먼저 실험했다. 이를 위해 연구팀은 먼저 혈류 속에 미세 기포를 주입했다. 기포가 몸 전체에 순환한 후, 초음파는 종양을 겨냥하여 기포를 "터지게"하고 산소를 종양 조직으로 유도하였다.

산소 증량의 확인

그 후 연구팀은 기계적 탐침과 광음향光音響 영상이라고 불리는 유형의 영상을 모두 사용하여 미세기포의 주입 전후의 종양 내 산소를 측정했다.

이 탐침을 통해, 그들은 초음파 펄스가 있은 후, 종양 속의 산소가 세포를 방사선에 민감하게 만드는 수준으로 증가했고, 이 수치는 최소 2분 동안 유지되었다는 것을 발견했다.

광음성 영상은 종양 내의 산소 운반이 헤모글로빈이라 불리는 혈류 내의 분자에 의존하지 않는다는 것을 보여주었다. 연구원들은 이것을 예상하지 못했다고 아이젠브레이 박사는 말했다. 그러나 산소 수송을 위한 헤모글로빈에의 의존도 부족이 산소 분자가 어떻게 미세기포를 운반하는 혈관과 바로 인접하지 않는 종양의 한 부분에 도달하는지를 설명할 수 있을 것이라고 말을 이어 갔다.

"처음에는 혈액 공급이 활발할 때에만 산소를 공급하게 된다는 가정을 했습니다."라고 그는 말했다. "하지만 일단 산소의 방울이 터지면, [산소]는 실제로 혈액 공급에서 나와 종양 중 산소가 고갈된 부분으로 이동한다."고 그는 덧붙였다.

접근 방식이 결과를 개선하다.

그 다음, 연구자들은 미세기포 치료로 인해 종양이 방사선 치료에 더 민감하게 반응하는지 여부를 실험했다. 이 분석을 위해, 그들은 유사한 종양을 가진 쥐들을 다섯 그룹으로 나누었다.

한 대조군은 방사선만을 받았다. 두 번째 대조군은 산소 미세기포와 초음파를 받았으나 방사선치료는 받지 않았다. 세 번째 대조군은 산소 미세 기포와 방사선을 받았으나 초음파 격발은 받지 않았다. 최종 대조군은 질소 함유 미세기포와 초음파 및 방사선 치료를 받았다. 이 실험군은 산소 미세 기포와 초음파와 방사선 치료를 받았다.

치료의 세 부분을 모두 받은 실험 그룹의 쥐들은 최상의 결과를 얻었다. 산소 미세기포의 효과는 동물마다 다르지만 종양의 성장을 평균 한 달 정도 늦춰 4개 그룹에 비해 성장률을 낮췄다. 실험 그룹의 쥐들도 진행 중인 암의 징후를 보이지 않고 더 오래 살았다.

흥미로운 것은, 방사선이 뒤따른 질소 미세기포를 받은 쥐들은 다른 세 대조군에 비해 종양 성장이 약간 감소했다. 이전의 연구들은 미세기포의 폭발에 의한 종양에의 물리적 손상 그 자체만으로도 방사선에 약간의 감작(성)을 제공할 수 있다는 것을 보여준다고 아이젠브레이 박사는 설명했다.

기술에서 인간의 시험으로 이동

방사선 치료에 대한 반응을 개선하기 위한 미세기포 기반 접근법의 잠재적 이점은 많은 미세기포 제품이 이미 미국 식품의약청으로부터 진단 영상 사용에 대한 승인을 받았다는 것이라고 아이젠브레이 박사는 말했다. 그것은 인체 실험에서 암 치료의 일부로 그들을 검사하는 기관의 승인을 더 쉽게 만들 수 있다.

이 팀은 이미 간암을 가진 사람들에게 미세기포 실험을 시작했지만, 이 실험은 기포만을 사용하여 암세포를 물리적으로 손상시키고 산소를 공급하지 않고 있다.

사람들에게서 테스트를 받기 전에 산소 운반 마이크로 버블 접근방식에서 몇 가지 문제를 해결해야 한다고 아이젠브레이 박사는 덧붙였다. 이는 종양 조직에서 산소 수치가 상승하는 시간을 연장하는 것을 포함하며, 병원에서 방사선 치료를 수행하는 데 필요한 더 긴 지속시간과 일치한다.

연구팀은 또한 교아종과 간암, 두경부 암을 포함한 다른 종류의 암 모델에서도 이 시스템을 시험해 보고 싶어 한다.

버나드 박사는 "산소를 운반하는 미세 기포와 고체 종양으로의 초음파 발생을 결합하는 것은 종양에 산소투여와 방사선에 대한 민감도를 높이기 위한 새로운 접근 방법이며, 이것은 더 많은 연구를 할 가치가 있다"고 결론 내렸다.

Can Oxygen “Microbubbles” Make Radiation Therapy More Effective?

February 20, 2018, by NCI Staff

A new study in mice raises the possibility that microscopic, oxygen-carrying bubbles may help to improve the treatment of breast cancer.

In the NCI-supported study, researchers used these “microbubbles” and ultrasound waves to increase the amount of oxygen within tumors. This treatment, they found, greatly improved the ability of radiation therapy to slow breast tumors growing in the miceExit Disclaimer. The approach also increased how long the mice lived without their disease progressing compared with mice that did not receive the microscopic bubbles prior to radiation treatment.

The new research was published January 21 in the International Journal of Radiation Oncology*Biology*Physics.

If the approach can be translated to humans, “we could potentially get a lot more ‘bang for our buck’ with radiation in terms of treating a tumor, without increasing toxicity,” said the study’s lead investigator, John Eisenbrey, Ph.D., of Thomas Jefferson University.

Supplying Oxygen to Boost Radiation Therapy

Radiation therapy is a mainstay of modern cancer treatment. For example, about half of all women with breast cancer will receive radiation at some point during treatment.

But many tumors are resistant to the cell-killing effects of radiation. Much of this resistance is caused by the low levels of oxygen often found in tumors: oxygen is required for radiation therapy to generate the molecules, called free radicals, that kill cancer cells. When oxygen levels in a tumor are low, radiation therapy is less effective.

For decades, researchers have tested different ways of increasing the amount of oxygen in tumors, said Eric Bernhard, Ph.D., chief of the Radiotherapy Development Branch in NCI’s Division of Cancer Treatment and Diagnosis, who was not involved in the study.

These approaches range from putting patients in hyperbaric chambers before radiation therapy to using drugs that increase blood flow or the number of blood cells that carry oxygen, explained Dr. Eisenbrey.

Unfortunately, because the human body is programmed to keep blood oxygen levels steady, these systemic approaches have largely failed, he added. So his team decided to see if microbubbles—constructs the size of red blood cells that are used for medical imaging—could work in a localized, mechanical way to transport oxygen to tumors.

After manufacturing their microbubbles, the researchers first tested whether the bubbles, when triggered by an ultrasound pulse, could drive oxygen into tumor tissue of mice bearing human breast tumors. To do this, the team first injected the microbubbles into the bloodstream. After the bubbles had circulated throughout the body, ultrasound was aimed at the tumors to “pop” the bubbles and drive oxygen into the tumor tissue.

Verifying an Oxygen Boost

The team then used both a mechanical probe and a type of imaging, called photoacoustic imaging, to measure oxygen in tumors before and after microbubble injection and ultrasound.

Using the probe, they found that on average, after the ultrasound pulse, oxygen in tumors increased to a level that would render cells sensitive to radiation, and these levels were maintained for at least 2 minutes.

Photoacoustic imaging showed that transportation of oxygen in the tumors did not rely on a molecule in the bloodstream called hemoglobin. The researchers were not expecting this, Dr. Eisenbrey said. But, he continued, the lack of dependence on hemoglobin transport may explain how the oxygen molecules also reached parts of the tumor not immediately adjacent to the blood vessels carrying the microbubbles.

“Originally, the hypothesis was that we would only be delivering oxygen where there’s active blood supply,” he said. “But once the oxygen bubbles pop, [the oxygen] actually gets transported out of the blood supply and into the oxygen-depleted parts of the tumor,” he added.

Approach Improves Outcomes

Next, the researchers tested whether the microbubble treatment made the tumors more sensitive to radiation therapy. For this analysis, they divided similar tumor-bearing mice into five groups.

One control group received radiation alone. A second control group received the oxygen microbubbles and ultrasound but no radiation therapy. The third control group received the oxygen microbubbles and radiation, but no ultrasound triggering. A final control group received nitrogen-containing microbubbles, ultrasound, and radiation therapy. The experimental group received the oxygen microbubbles and ultrasound plus radiation therapy.

The mice in the experimental group that received all three parts of the treatment had the best outcomes. Though the effect of the oxygen microbubbles varied between animals, on average, it delayed tumor growth by about a month and lowered the rate of growth compared with the four other groups. The mice in the experimental group also lived longer without showing any symptoms of progressing cancer.

Interestingly, the mice that received nitrogen microbubbles followed by radiation showed a slight reduction in tumor growth compared with the other three control groups. Previous studies have shown that the mechanical damage caused by microbubbles popping can, on its own, provide some sensitization to radiation, explained Dr. Eisenbrey.

Moving the Technique into Human Trials

A potential advantage of a microbubble-based approach for improving the response to radiation therapy, said Dr. Eisenbrey, is that many microbubble products have already been approved by the Food and Drug Administration for use in diagnostic imaging. That may make it easier to get approval from the agency to test them as part of cancer therapy in a human trial.

The team has already launched a microbubble trial in people with liver cancer, though this trial is only using the bubbles to cause mechanical damage to cancer cells, not to deliver oxygen.

A few kinks need to be worked out of the oxygen-carrying microbubble approach before it could be tested in people, Dr. Eisenbrey added. These include extending the time oxygen levels are raised in tumor tissue, to match the longer duration needed to deliver radiation therapy in the clinic.

The team would also like to test the system in models of other cancer types, including glioblastoma, liver cancer, and head and neck cancer.

"Combining oxygen-carrying microbubbles with ultrasound-triggered delivery to solid tumors is a novel approach to enhancing tumor oxygenation and sensitivity to radiation, and it deserves further study," concluded Dr. Bernhard.