KR101516634B1 - 13c-자기공명분광영상을 이용한 암 환자의 치료 예후를 예측하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 13C-자기공명분광영상을 이용하여 암 환자의 치료 예후를 예측하는 방법에 관한 것으로서, 초분극화된 13C-피루베이트(pyruvate)를 포함하는 조성물이 주사된 대상체로부터 13C-피루베이트의 13C-자기공명분광영상 및 상기 13C-피루베이트의 대사물질인 13C-락테이트(lactate)의 13C-자기공명분광영상을 획득하는 제 1단계; 13C-락테이트의 13C-자기공명분광영상의 신호 곡선의 면적을 13C-피루베이트의 13C-자기공명분광영상의 신호 곡선의 면적으로 나눈 13C-대사전환비율(R₁)을 계산하는 제 2단계; 암 치료가 수행된 상기 대상체로서, 초분극화된 13C-피루베이트를 포함하는 조성물이 주사된 대상체로부터 13C-피루베이트의 13C-자기공명분광영상 및 상기 13C-피루베이트의 대사물질인 13C-락테이트의 13C-자기공명분광영상을 획득하는 제 3단계; 13C-락테이트의 13C-자기공명분광영상의 신호 곡선의 면적을 13C-피루베이트의 13C-자기공명분광영상의 신호 곡선의 면적으로 나눈 13C-대사전환비율(R₂)을 계산하는 제 4단계; 및 상기 제 2단계에서 얻어진 13C-대사전환비율(R₁)을 상기 제 4단계에서 얻어진 13C-대사전환비율(R₂)로 나눈 전환비율증감율(R₃)에 기초하여 암 환자의 치료 효과를 판단하는 제 5단계로 이루어진다.

Description

13C-자기공명분광영상을 이용한 암 환자의 치료 예후를 예측하는 방법{Method for predicting prognosis of cancer patient using 13C-magnetic resonance spectroscopy imaging}

본 발명은 13C-자기공명분광영상을 이용하여 암 환자의 치료 예후를 예측하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 암 치료 전후에 대상체로부터 획득한 13C-피루베이트와 대사물질인 13C-락테이트의 13C-자기공명분광영상을 이용하여 13C-피루베이트의 13C-락테이트로의 대사전환비율을 계산하고 이로부터 암 환자의 치료 효과를 판단하는 방법에 관한 것이다.

질병의 조기 검출은 발병 시부터 치료학적 치료를 가능하게 하여 성공적인 치료를 가능하게 한다. 암을 진단하고 치료하는 것이 빠르면 빠를수록, 약물치료에 있어 최적의 프로세스를 가능하게 하고, 생존 가능성을 높인다. 암의 검출을 위한 모든 공지된 방법은 대부분 악성 조직 및/또는 순환계에 분비된 그의 병리학적 암 바이오마커(biomarkers)를 확인하는데 초점을 맞추고 있다. 그러나, 이러한 진단 방법은 질병이 비교적 진행된 단계에서만 효과적이어서 문제된다. 1920년대에 오토 와버그 (Otto Warburg)는, 정상 분화 세포와 대조적으로 암 세포는 주로 미토콘드리아 산화적 포스포릴화가 아니라 호기성 해당작용에 의존하여 세포 과정에 필요한 에너지를 위한 에너지로서 ATP를 생성시킨다는 것을 발견하였다. 이러한 역사적 현상을 "와버그 효과 (Warburg effect)"라 칭하였다. 오토 와버그는 대사에 있어서의 이러한 변화가 암의 근본적 원인이라고 주장하였으며, 이 주장은 현재 와버그 가설 (Warburg hypothesis)로 알려져 있다. 현재 암의 치료 반응을 진단 및 모니터링 하기 위한 방법으로, 양전자 방사 단층촬영(PET)에 의해서 악성 종양에 의한 고 호기성 해당작용에 따라 방사성의 변형된 헥소키나제 기질의 흡수를 영상화하는 방법이 임상적으로 이용된다. 그러나 PET 촬영법의 경우, 촬영과정에서 환자가 이온화 방사선에 노출되는 문제가 있으며, PET에 의해 촬영된 영상은 해상도가 낮은 문제점이 있었다.

자기공명영상법은 비침습적이고 조기 진단을 가능하게 한다. 일반적으로 임상진단에 사용되는 자기공명영상은 생체내부의 해부학적 구조를 생체를 구성하는 수소(¹H) 원소의 신호를 검출하여 영상화한다. 암진단에 있어 이러한 해부학적 영상진단은 필수불가결한 요소로 자리잡았다. 그러나 최근 분자치료제의 개발 등 개별화 맞춤 치료의학이 발달함에 따라 해부학적 영상진단 만으로는 항암치료의 치료효과나 환자치료의 예후를 판단하는데 어려움에 직면하게 되면서 암세포의 물질대사를 영상화 할 수 있는 영상진단법의 필요성이 대두하였다. 자기공명영상을 사용한 물질대사 측정 기술은 13C 원소로 표지된 기질(substrate)과 대사체(metabolite)의 핵자기공명분광영상(nuclear magnetic resonance spectroscopic imaging)에 기반을 둔다. 그러나 자연계에 13C 원소는 1.1%만 존재하므로 민감도가 매주 낮아 13C 원소의 신호증폭을 위해 DNP(dynamic nuclear polarization)방법에 의한 초분극화(hyperpolarization)기술이 사용된다. 초분극화는 1953 년 알버트 오버하우저(Albert Overhauser) 에 의해 처음으로 제안된 핵오버하우저효과(Nuclear Overhauser Effect, NOE)에 기반하는데 절대온도 2-4도 극저온의 유리고체상태(glassy state)에서 극초단파(microwave)를 조사하면 비쌍전자(unpaired electron)을 가진 radical의 분극화 상태가 13C 원소의 핵스핀으로 전이되는 현상(polarization transfer)이다. 이를 통해 온도평형(thermal equilibrium) 상태가 초분극화평형(hyperpolarized equilibrium)상태로 전이되어 약 10,000 배의 자기공명 신호강도 증가 효과가 나타나 민감도가 비약적으로 증가하게 된다.

초분극화된 13C-피루베이트를 기질로 이용하는 물질대사 자기공명영상은 방사능 피폭 없이 암세포에서 증가되어 있는 당대사를 표적으로 하여 13C-락테이트의 생성을 정량적으로 검출함으로써 암세포에서 증가된 당 대사를 영상화 한다. 이에 따라, 암 치료 전후에 자기공명영상을 획득하고, 이로부터 얻어진 대사전환율을 이용하여, 암의 치료 효과를 판단하는 방법에 관한 발명을 완성하였다.

대한민국 공개특허공보 제10-2008-0096840호 (발명의 명칭: 과분극화 방법, 시스템 및 조성물, 공개일자: 2008년 11월 03일)

본 발명의 목적은, 영상획득시간이 비교적 짧은 비방사성 동위원소인 13C(탄소-13)의 자기공명분광영상을 이용하여 방사선 피폭 없이 비침습적으로 생체 내 물질대사를 측정함에 있다.

또한, 13C-자기공명분광영상을 이용하여 실시간으로 정량적인 물질대사 양을 획득함으로서 암 치료 효과를 객관적으로 판단하는 방법을 제공함에 있다.

또한, 암 치료 전후에 획득한 영상으로부터 산출한 대사전환율과 대응하는 생존일 데이터에 의하여 정량적이고 객관적으로 치료 효과를 판단할 수 있도록 함에 있다.

또한, 암 치료가 이루어지는 기간 중 조기에 치료 효과를 판단하게 됨으로서, 암 환자로 하여금 최적의 치료를 받을 수 있도록 하여 치료 효율을 높이고, 암 치료를 위한 의료비용을 절감함에 있다.

전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 13C-자기공명분광영상을 이용한 암 환자의 치료 예후를 예측하는 방법은, 초분극화된 13C-피루베이트(pyruvate)를 포함하는 조성물이 주사된 대상체로부터 13C-피루베이트의 13C-자기공명분광영상 및 상기 13C-피루베이트의 대사물질인 13C-락테이트(lactate)의 13C-자기공명분광영상을 획득하는 제 1단계; 13C-락테이트의 13C-자기공명분광영상의 신호 곡선의 면적을 13C-피루베이트의 13C-자기공명분광영상의 신호 곡선의 면적으로 나눈 13C-대사전환비율(R₁)을 계산하는 제 2단계; 암 치료가 수행된 상기 대상체로서, 초분극화된 13C-피루베이트를 포함하는 조성물이 주사된 대상체로부터 13C-피루베이트의 13C-자기공명분광영상 및 상기 13C-피루베이트의 대사물질인 13C-락테이트의 13C-자기공명분광영상을 획득하는 제 3단계; 13C-락테이트의 13C-자기공명분광영상의 신호 곡선의 면적을 13C-피루베이트의 13C-자기공명분광영상의 신호 곡선의 면적으로 나눈 13C-대사전환비율(R₂)을 계산하는 제 4단계; 및 상기 제 2단계에서 얻어진 13C-대사전환비율(R₁)을 상기 제 4단계에서 얻어진 13C-대사전환비율(R₂)로 나눈 전환비율증감율(R₃)에 기초하여 암 환자의 치료 효과를 판단하는 제 5단계로 이루어진다.

이 때, 상기 제 1단계 또는 상기 제 3단계는, 상기 13C-락테이트의 13C-자기공명분광영상의 신호곡선에 5배를 곱하여 보정하는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 초분극화된 13C-피루베이트를 포함하는 조성물은, 13C-피루브산에 트리틸 라디컬(trityl radical)을 혼합하고, DNP(dynamic nuclear polarization)방법에 의하여 일정시간 동안 초분극화시킨 후, 완충액으로 용해시킴으로서 얻어지는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 제 1단계 또는 상기 제 3단계에서 획득하는 13C-자기공명분광영상은, 상기 13C-피루베이트를 포함하는 조성물을 주사한 후 180초 경과되기 전까지 획득하는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 제 5단계는, 상기 전환비율증감율(R₃)을 암 치료가 행해지지 않은 대조군의 전환비율증감율(C₃)과 비교하여 치료효과를 판단하는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 제 5단계는, 상기 전환비율증감율(R₃)이 암 치료가 행해지지 않은 대조군의 전환비율증감율(C₃)보다 작을 때 치료효과가 있다고 판단하는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 제 5단계는, 상기 전환비율증감율(R₃)이 1 이상인 경우 치료효과가 없다고 판단하고, 상기 전환비율증감율(R₃)이 1 미만인 경우 치료효과가 있다고 판단하는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 제 5단계는, 상기 전환비율증감율(R₃)과 대응하는 기 측정된 생존일(S)에 기초하여 치료효과를 판단하는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 제 5단계는, 상기 전환비율증감율(R₃)과 대응하는 기 측정된 생존일(S)에 기초하여 치료효과의 등급을 결정하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 영상획득시간이 비교적 짧은 비방사성 동위원소인 13C(탄소-13)의 자기공명분광영상을 이용하여 방사선 피폭 없이 비침습적으로 생체 내 물질대사를 측정하는 효과가 있다.

또한, 13C-자기공명분광영상을 이용하여 실시간으로 정량적인 물질대사 양을 획득함으로서 암 치료 효과를 객관적으로 판단하는 효과가 있다.

또한, 암 치료 전후에 획득한 영상으로부터 산출한 대사전환율과 대응하는 생존일 데이터에 의하여 정량적이고 객관적으로 치료 효과를 판단하는 효과가 있다.

또한, 암 치료가 이루어지는 기간 중 조기에 치료 효과를 판단하게 됨으로서, 암 환자로 하여금 최적의 치료를 받을 수 있도록 하여 치료 효율을 높이고, 암 치료를 위한 의료비용을 절감하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 암 환자의 치료 예후를 예측하는 방법의 각 단계를 나타낸 흐름도이다.
도 2는 도 1에 도시된 S100 단계에서 얻어지는 자기공명분광영상으로서, 상기 초분극화된 13C-피루베이트를 포함하는 조성물이 주사된 대상체로부터 획득한 13C-피루베이트와 13C-락테이트의 13C-자기공명분광영상이다.
도 3은 도 2에 도시된 13C-피루베이트와 13C-락테이트의 자기공명분광영상으로부터 획득한 시간 영역에서의 신호 곡선이다.
도 4는 대상체에 방사선 치료를 수행하기 전과 후 각각의 경우, 도 3에 도시된 13C-피루베이트의 신호 곡선과 13C-락테이트의 신호 곡선으로부터 1초단위로 계산된 13C-대사전환비율의 분포를 나타낸 도면이다.
도 5는 암 치료가 수행되지 않은 대상체의 경우, 13C-피루베이트의 신호 곡선과 13C-락테이트의 신호 곡선으로부터 1초단위로 계산된 계산된 13C-대사전환비율의 분포를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 암 환자의 치료 예후를 예측하는 방법의 일 실시예로서, 전환비율증감율(R₃)이 1 이상인 경우와 1 미만인 경우의 치료효과를 판단하기 위한 예시를 나타낸 도면이다.

이하에는, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하되, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이지, 이로 인해 본 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.

도 1은 본 발명에 따른 암 환자의 치료 예후를 예측하는 방법의 각 단계를 나타낸 흐름도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 암 환자의 치료 예후를 예측하는 방법은 초분극화된 13C-피루베이트(pyruvate)를 포함하는 조성물이 주사된 대상체로부터 13C-피루베이트의 13C-자기공명분광영상 및 상기 13C-피루베이트의 대사물질인 13C-락테이트(lactate)의 13C-자기공명분광영상을 획득한다(S100, 제 1단계). 상기 S100 단계 이후에, 13C-락테이트의 13C-자기공명분광영상의 신호 곡선의 면적을 13C-피루베이트의 13C-자기공명분광영상의 신호 곡선의 면적으로 나눈 13C-대사전환비율(R₁)을 계산한다(S200, 제 2단계). 상기 S200 단계 이후에, 암 치료가 수행된 상기 대상체로서, 초분극화된 13C-피루베이트를 포함하는 조성물이 주사된 대상체로부터 13C-피루베이트의 13C-자기공명분광영상 및 상기 13C-피루베이트의 대사물질인 13C-락테이트의 13C-자기공명분광영상을 획득한다(S300, 제 3단계). 상기 S300 단계 이후에, 13C-락테이트의 13C-자기공명분광영상의 신호 곡선의 면적을 13C-피루베이트의 13C-자기공명분광영상의 신호 곡선의 면적으로 나눈 13C-대사전환비율(R₂)을 계산한다(S400, 제 4단계). 상기 S400 단계 이후에, 상기 S200 단계에서 얻어진 13C-대사전환비율(R₁)을 상기 S400 단계에서 얻어진 13C-대사전환비율(R₂)로 나눈 전환비율증감율(R₃)에 기초하여 암 환자의 치료 효과를 판단한다(S500, 제 5단계). 이하에서는, 도 2 내지 도 6을 참조하여 본 발명에 따른 암 환자의 치료 예후를 예측하는 방법의 각 단계를 상세하게 설명한다.

도 2는 도 1에 도시된 S100 단계에서 얻어지는 자기공명분광영상으로서, 상기 초분극화된 13C-피루베이트를 포함하는 조성물이 주사된 대상체로부터 획득한 13C-피루베이트와 13C-락테이트의 13C-자기공명분광영상이다.

13C-피루베이트와 13C-락테이트의 13C-자기공명분광영상을 획득하기 위하여 먼저, 초분극화된 13C-피루베이트(pyruvate)를 포함하는 조성물을 준비한다.

13C-피루베이트의 초분극화는, 동위원소가 농축된 ³He, ¹²⁹Xe 또는 이러한 희기체(noble gas)의 혼합물을 사용하거나, 매우 낮은 온도 및 높은 자기장에서 열역학적 평형에 의해 NMR 활성 핵으로 나누는 방법에 의하거나, 상자성 물질을 혼합한 후 자기장 내에서 물리적으로 회전시킴으로서 핵 스핀 편극화시키거나, 또는 DNP(동적 핵 분극화, dynamic nuclear polarization)을 통해 이루어질 수 있다. 즉, 초분극화된 13C-피루베이트를 얻기 위해 13C-피루베이트를 직접 분극화시키거나, 또는 13C-피루브산을 분극화시킨 후 염기로 중화시킴으로서, 분극화된 13C-피루브산(pyruvic acid)을 분극화된 13C-피루베이트로 전환시킬 수 있다.

본 발명에서는 초분극화된 13C-피루베이트를 얻기 위하여 DNP방법을 이용한다. 13C-피루베이트의 DNP는, 분극화될 화합물로서 13C-피루브산에 상자성 화합물을 혼합한 후, 마이크로파 방사선 형태의 에너지를 가하여 상자성 화합물을 여기시키고, 상자성 화합물의 쌍을 이루지 않은 전자로부터 13C-피루브산의 13C의 핵으로 분극화가 이동함으로서 이루어진다. 상기 13C-피루브산은 Cambridge isotope laboratories의 제품으로서 CLM-8077-1이 사용될 수 있다. 상기 상자성 화합물로는 전이 금속, 유리 라디컬, 니트록시드 라디컬 등이 사용될 수 있고, 바람직하게는 트리틸 라디컬(trityl radical)이 사용될 수 있으며, 이 때, 상기 트리틸 라디컬을 피루브산에 용해시키기 위한 공용매로서 물을 사용할 수 있다. DNP 공정에서 혼합되는 13C-피루브산과 상자성 화합물의 몰분율 비율은 5:1 임이 바람직하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. DNP 공정은 분극화가 이루어지기 위하여, 1T 내지 25T의 자기장 및 0.5K 내지 8K의 온도에서 이루어지고, 바람직하게는 3.35T의 자기장 및 4K의 초저온에서 이루어질 수 있다. 상기 13C-피루브산을 분극화시키는 초분극장비는 하이퍼센스(HyperSense)를 이용할 수 있다.

고체 상태의 13C-피루브산은 염기가 첨가된 완충액에 용해됨으로서 액체 상태의 13C-피루베이트로 전환되는데, 이 때 완충액으로는 인산염 완충액이 사용될 수 있고 바람직하게는 트리스(Tris)가 사용될 수 있으며, 염기로는 탄산나트륨(Na₂CO₃)수용액 또는 탄산수소나트륨(NaHCO₃)수용액이 사용될 수 있고 바람직하게는 수산화나트륨(NaOH)수용액이 사용될 수 있다. 이 때, 완충액에는 EDTA와 같은 킬레이팅제 및 삼투압을 유지하기 위한 염화나트륨(NaCl)이 포함될 수 있다.

상술한 방법에 의하여 초분극화된 13C-피루베이트는 75% 이상으로 동위원소가 농축되고, 바람직하게는 90% 이상의 동위 원소가 농축된다. 그리고 13C-피루베이트를 포함한 조성물은 상기 13C-피루베이트를 주성분으로 하며, 안정화제, 삼투압 조절제, 가용화제를 포함할 수 있다.

본 발명에서는 75mM의 13C-피루브산을 15mM의 트리틸 라디컬(GE Healthcare사의 OX063 제품)과 혼합하여 용해시킨 후, 4K 온도에서 60분간 초분극화 과정을 수행하였다. 이후에, 1M Tris-HCl, 1M NaCl, 2g/L EDTA, 1M NaOH 조성의 180℃ 3.6ml 완충액으로 용해 시킨 후 37℃로 냉각하였다.

13C-자기공명분광영상을 획득하기 위하여, 치료 효과를 예측하기 위한 대상체로서 살아있는 인간 또는 인간 이외의 동물을 자기공명분광기의 자석에 위치시킨 후, 13C-자기공명 RF-코일이 대상체 내 종양이 위치한 영역을 덮도록 위치시킨다. 다음으로, 초분극화된 13C-피루베이트를 포함하는 조성물을 종양을 가지고 있는 대상체에 주사한다. 본 발명에서는 대상체로서, 유방암 세포를 뇌의 조직에 주입한 후 2주가 경과한 누드마우스(nude mouse)에 주사하였다. 이 때, 상기 초분극화된 13C-피루베이트를 포함하는 조성물을 대상체의 혈관을 통해 약 10㎖/s의 속도로 주사할 수 있다. 주사한 후 180초 경과하기 전까지 대상체 내 종양으로부터 도 2에 도시된 13C-자기공명분광영상(Averaged Spectrum)을 획득한다(제 1단계, S100). 이 때, RF-펄스를 가하여 얻어지는 자기공명 신호에 대하여 자기공명영상화 연쇄를 적용하여 종양의 부피를 인코딩하고, 종양의 부피에 해당하는 13C-자기공명분광영상을 획득한다. 13C-자기공명영상을 스펙트럼으로 영상화하기 위한 방법으로, 13C-피루베이트와 13C-락테이트의 자기공명분광영상에서 신호강도의 최대값으로 표준화시킬 수 있고, 기선(base line)과 전역 0차 위상보정(Global zero order phasing) 한 뒤, 각 대사물질의 신호 곡선의 최대값이 포함되도록 주파수 영역을 선택할 수 있다. 이로부터 13C-자기공명분광영상의 데이터는 도 2에 도시된 13C-자기공명분광 형태로 나타내지며, 13C-피루베이트 및 13C-락테이트는 기 알려진 각각의 공명주파수에 따라 독특한 스펙트럼을 나타내고, 분광주파수에서 신호강도의 최대값을 나타낸다.

13C-자기공명분광영상을 검출하기 위하여 13C-자기공명 RF-코일이 사용되는데 이 때, 13C-자기공명 RF-코일은 영상부위에 최적화된 13C-자기공명 RF-코일이 사용될 수 있고, 본 발명에서는 직경 20㎜의 13C 듀얼 튠 서페이스 트랜스밋/리시브 코일(dual-tuned surface transmit/receive coil)을 사용하였으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

도 3은 도 2에 도시된 13C-피루베이트와 13C-락테이트의 자기공명분광영상으로부터 획득한 시간 영역에서의 신호 곡선이다.

도 3을 참조하면, 13C-피루베이트의 신호강도의 최대값이 나타난 이후에 13C-락테이트의 신호강도의 최대값이 나타난다. 종양세포는 '와버그 효과'(Warburg effect)로 알려진 바와 같이, 산소의 이용성과 관계없이 세포질에서의 해당과정(glycolysis)이 증가되어 있고, 세포 내에서 피루베이트에서 락테이트로의 대사전환이 매우 활발하게 일어나게 된다. 13C-자기공명분광영상으로부터 획득한 시간 영역에서의 신호 곡선(Dynamic curve)은 종양세포를 가지고 있는 대상체에 주사된 13C-피루베이트가 LDH 효소(lactate dehydrogenase, 락트산탈수소 효소)에 의한 대사과정을 통해 13C-락테이트로 전환된 결과를 보여준다. 이로부터 암 세포의 활성지표로서 피루베이트에서 락테이트로의 대사전환율이 활용될 수 있음을 알 수 있다.

S100 단계에서 획득한 13C-피루베이트와 13C-락테이트의 13C-자기공명분광영상에 대하여 영상신호처리기술을 이용하여 시간 영역에서의 각 대사물질의 신호 곡선 데이터를 획득한다. 신호 곡선을 보정하기 위하여, 13C-락테이트의 13C-자기공명분광영상의 신호 곡선에 기 설정된 배수를 곱하여 신호 곡선을 보정한다. 이 때, 기 설정된 배수는 도 3에 나타난 바와 같이 5배임이 바람직하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 S100 단계 이후에, 보정된 13C-락테이트의 13C-자기공명분광영상의 신호 곡선의 면적을 13C-피루베이트의 13C-자기공명분광영상의 신호 곡선의 면적으로 나눈 13C-대사전환비율(R₁)을 계산한다(제 2단계, S200). 이 때, 13C-자기공명분광영상의 신호 곡선의 면적은 신호 곡선 아래의 영역에 대한 면적이고, 이 때 시간은 0초에서 180초임이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 10초에서 50초 사이로 설정할 수 있다. 이 때, 13C-대사전환비율(R₁)은 13C-피루베이트의 양에 대한 그의 대사물질인 13C-락테이트로 전환된 양의 비율으로서, 값이 클수록 암 세포가 활성화되어있음을 의미하게 되고, 암 세포의 활성지표로 이용된다.

상기 제 2단계 이후에, 대상체에 대하여 암 치료를 수행한 후, 상기 대상체에 초분극화된 13C-피루베이트를 포함하는 조성물이 주사된 대상체로부터 13C-피루베이트의 13C-자기공명분광영상 및 상기 13C-피루베이트의 대사물질인 13C-락테이트의 13C-자기공명분광영상을 획득하고(제 3단계, S300), 13C-락테이트의 13C-자기공명분광영상의 신호 곡선의 면적을 13C-피루베이트의 13C-자기공명분광영상의 신호 곡선의 면적으로 나눈 13C-대사전환비율(R₂)을 계산한다(제 4단계, S400). 이 때, 대상체에 대해 수행되는 암 치료는 방사능 치료일 수 있고 이 외에 다양한 암을 치료하기 위한 방법이 수행될 수 있다. 본 발명에서는 X-Rad 320 방사선 장비를 이용하여 누드마우스의 머리부위에 국한하여 방사선 치료를 수행하였고, 구체적으로 300㎸, 12.5㎃의 강도로 3그레이(Gy)의 방사선을 5일 동안 조사하였으며, S100 단계 및 S200 단계를 수행한 시점으로부터 1주일이 경과한 후에 S300 단계 및 S400 단계를 수행하였다.

상기 S400 단계 이후에, 상기 S200 단계에서 얻어진 13C-대사전환비율(R₁)을 상기 S400 단계에서 얻어진 13C-대사전환비율(R₂)로 나눈 전환비율증감율(R₃)에 기초하여 암 환자의 치료 효과를 판단한다(제 5단계, S500). 치료 효과를 판단하기 위하여, 암 치료 전 대상체의 피루베이트에서 락테이트로의 대사전환비율(R₁)을 암 치료가 수행된 대상체의 피루베이트에서 락테이트로의 대사전환비율(R₂)를 비교하는데, 이 때 전환비율증감율(R₃)을 이용한다. 전환비율증감율(R₃)은 치료 전 대사전환비율(R₁)에 대한 치료 후 대사전환비율(R₂)의 비로서, 값이 작을수록 치료 효과가 있음을 의미한다.

전환비율증감율(R₃)이 1 이상인 경우, 치료 후 대사전환비율(R₂)이 치료 전 대사전환비율(R₁)에 비하여 증가하였으므로 치료효과가 없다고 판단할 수 있고, 전환비율증감율(R₃)이 1 미만인 경우, 치료 후 대사전환비율(R₂)이 치료 전 대사전환비율(R₁)에 비하여 감소하였으므로 치료효과가 있다고 판단할 수 있다.

전환비율증감율(R₃)에 기초하여 암 환자의 치료 효과를 판단하기 위한 다른 실시예로서, 암 치료가 행해지지 않은 대조군의 전환비율증감율(C₃)과 비교하여 치료효과를 판단할 수 있다. 암 치료가 행해지지 않는 대조군으로부터 획득한 13C-자기공명분광영상에 대하여, 13C-락테이트의 13C-자기공명분광영상의 신호 곡선의 면적을 13C-피루베이트의 13C-자기공명분광영상의 신호 곡선의 면적으로 나눈 13C-대사전환비율(C₁)을 계산한다. 암 치료가 수행된 대상체의 경우와 동일한 기간이 경과한 후, 암 치료가 행해지지 않은 대조군으부터 획득한 13C-자기공명분광영상에 대하여, 13C-락테이트의 13C-자기공명분광영상의 신호 곡선의 면적을 13C-피루베이트의 13C-자기공명분광영상의 신호 곡선의 면적으로 나눈 13C-대사전환비율(C₂)을 계산한다. 기간 경과 후 얻어진 13C-대사전환비율(C₂)을 기간 경과 전 얻어진 13C-대사전환비율(C₁)로 나눈 13C-전환비율증감율(C₃)을 암 치료가 수행된 대상체의 전환비율증감율(R₃)과 비교하여 치료 효과를 판단한다. 이 때, 암 치료가 수행된 대상체의 전환비율증감율(R₃)이 암 치료가 행해지지 않은 대조군의 전환비율증감율(C₃)보다 작을 때(R₃＜C₃), 치료효과가 있다고 판단할 수 있고, 암 치료가 수행된 대상체의 전환비율증감율(R₃)이 암 치료가 행해지지 않은 대조군의 전환비율증감율(C₃)과 같거나 암 치료가 행해지지 않은 대조군의 전환비율증감율(C₃)보다 클 때(R₃≥C₃), 치료효과가 없다고 판단할 수 있다. 대조군의 13C-전환비율증감율(C₃)을 계산하기 위하여, 통계학적으로 유의한 수의 환자에 대하여, 13C-자기공명분광영상을 획득하는 것이 바람직하며, 이에 기초한 평균 13C-전환비율증감율(C₃)을 이용하여 치료 효과를 판단하는 것이 바람직하다.

도 4는 대상체에 방사선 치료를 수행하기 전과 후 각각의 경우, 도 3에 도시된 13C-피루베이트의 신호 곡선과 13C-락테이트의 신호 곡선으로부터 1초단위로 계산된 13C-대사전환비율의 분포를 나타낸 도면이고, 도 5는 암 치료가 수행되지 않은 대상체의 경우, 13C-피루베이트의 신호 곡선과 13C-락테이트의 신호 곡선으로부터 1초단위로 계산된 계산된 13C-대사전환비율의 분포를 나타낸 도면이다.

도 4를 참조하면, 대상체에 방사선 치료를 수행하기 전과 후 각각의 경우, 13C-피루베이트를 주입한 후 10초에서 50초 사이에 각 1초마다의 13C-대사전환비율을 계산하여 그 분포를 나타내었다. 여기서 13C-대사전환비율(Lactate/Pyruvate ratio)이란 각 1초마다의 13C-락테이트의 신호를 13C-피루베이트의 신호로 나눈 값으로서, 본 발명의 S200 단계에서 얻어지는 13C-피루베이트 신호 곡선의 면적에 대한 13C-락테이트의 신호 곡선의 면적의 비율인 13C-대사전환비율(R_{1 ,} R₂)과 표시하는 방식이 다르다. 방사선 치료를 수행하기 전 대상체의 각 초에서의 13C-대사전환비율은 파란색 곡선(Pre-treatment)에 해당하고, 방사선 치료를 수행한 후 대상체의 각 초에서의 13C-대사전환비율은 빨간색 곡선(Post-treatment)에 해당한다. 도 5를 참조하면, 암 치료가 수행되지 않은 대조군에 대하여, 암 치료가 수행된 대상체의 경우와 동일한 기간이 경과하기 전과 후 각각의 경우, 13C-피루베이트를 주입한 후 10초에서 50초 사이에 각 1초마다의 13C-대사전환비율을 계산하여 그 분포를 나타내었다. 상기 동일한 기간이 경과하기 전 대상체의 각 초에서의 13C-대사전환비율은 파란색 곡선(Pre-treatment)에 해당하고, 상기 동일한 기간이 경과한 후 대상체의 각 초에서의 13C-대사전환비율은 빨간색 곡선(Post-treatment)에 해당한다. 도 4 및 도 5로부터 방사선 치료가 행해지지 않은 대조군의 경우, 상기 동일한 기간 경과 전과 후에 13C-대사전환비율의 차이가 없거나 소폭 증가한 반면, 방사선 치료가 수행된 대상체의 경우 치료 전보다 치료 후에 13C-대사전환비율이 감소하였음을 확인할 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 암 환자의 치료 예후를 예측하는 방법의 일 실시예로서, 전환비율증감율(R₃)이 1 이상인 경우와 1 미만인 경우의 치료효과를 판단하기 위한 예시를 나타낸 도면이다.

도 6을 참조하면, 전환비율증감율(R₃)이 1 이상인 경우 생존일(S)이 40일 내지 60일로서 치료효과가 없음을 확인할 수 있고, 전환비율증감율(R₃)이 1 미만인 경우 생존일이 50일 내지 90일로서 치료효과가 있음을 알 수 있다. 상술한 바와 같이, 전환비율증감율(R₃)이 1 인 때를 기준으로 치료 효과를 판단하는 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 암 환자의 치료 예후를 예측하는 방법의 다른 실시예로서, 전환비율증감율(R₃)에 대응하는 기 측정된 생존일(S)에 따라 치료효과의 등급을 결정하기 위한 예시를 하기의 표 1에 나타내었다.

전환비율증감율(R3)	생존일(S)	치료 효과 등급
0.2 이상 0.4 미만	80일	1 등급
0.4 이상 0.6 미만	75일	2 등급
0.6 이상 0.8 미만	70일	3 등급
0.8 이상 1 미만	65일	4 등급

상기 표 1에서와 같이, 특정 유형의 암을 가진 통계학적으로 유의한 수의 환자군에 대하여, 본 발명의 S100 단계 내지 S400 단계를 수행한 후, 환자군의 생존일(S)을 측정하고 이에 따라, 암 치료가 수행된 환자군의 전환비율증감율(R₃)과 생존일(S)이 서로 대응되는 데이터를 생성한다. 이 때, 생존일(S)는 당업계에 공지된 통계학적 방법에 의해 환자군의 평균 생존일을 나타낼 수 있다. 이후에, 치료 효과를 판단하고자 하는 대상체로부터 전환비율증감율(R₃)을 획득하고, 상기 데이터에 기초하여 전환비율증감율(R₃)과 대응하는 생존일(S)로부터 치료 효과를 판단한다. 이 때, 생존일(S)은 치료 효과를 판단하기 위한 지표로서, 대상체의 생존일(S)을 예측하는 데 사용될 수 있다. 경우에 따라, 기 측정된 생존일(S)에 따라 치료 효과의 등급을 나누고, 대상체의 예측되는 생존일(S)에 따라 치료 효과의 등급을 결정할 수 있다. 상기 표 1에서와 같이, 대상체의 전환비율증감율(R₃)이 0.5인 경우 생존일(S)은 75일로 예측할 수 있고, 치료 등급은 2등급으로 결정할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 치료 효과의 등급을 1등급 내지 4등급으로 나누었으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있으므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

Claims (9)

1. 초분극화된 13C-피루베이트(pyruvate)를 포함하는 조성물이 주사된 대상체로부터 13C-피루베이트의 13C-자기공명분광영상 및 상기 13C-피루베이트의 대사물질인 13C-락테이트(lactate)의 13C-자기공명분광영상을 획득하는 제 1단계;
   13C-락테이트의 13C-자기공명분광영상의 신호 곡선의 면적을 13C-피루베이트의 13C-자기공명분광영상의 신호 곡선의 면적으로 나눈 13C-대사전환비율(R₁)을 계산하는 제 2단계;
   암 치료가 수행된 상기 대상체로서, 초분극화된 13C-피루베이트를 포함하는 조성물이 주사된 대상체로부터 13C-피루베이트의 13C-자기공명분광영상 및 상기 13C-피루베이트의 대사물질인 13C-락테이트의 13C-자기공명분광영상을 획득하는 제 3단계;
   13C-락테이트의 13C-자기공명분광영상의 신호 곡선의 면적을 13C-피루베이트의 13C-자기공명분광영상의 신호 곡선의 면적으로 나눈 13C-대사전환비율(R₂)을 계산하는 제 4단계; 및
   상기 제 2단계에서 얻어진 13C-대사전환비율(R₁)을 상기 제 4단계에서 얻어진 13C-대사전환비율(R₂)로 나눈 전환비율증감율(R₃)을 결정하고, 상기 전환비율증감율(R₃)과 대응하는 기 측정된 생존일(S)에 따라 나누어진 치료효과의 등급을 결정하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 13C-자기공명분광영상을 이용한 암 환자의 치료 예후에 대한 정보를 제공하는 방법.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 제 1단계 또는 상기 제 3단계는,
   상기 13C-락테이트의 13C-자기공명분광영상의 신호곡선에 5배를 곱하여 보정하는 것을 특징으로 하는 13C-자기공명분광영상을 이용한 암 환자의 치료 예후에 대한 정보를 제공하는 방법.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 초분극화된 13C-피루베이트를 포함하는 조성물은,
   13C-피루브산에 트리틸 라디컬(trityl radical)을 혼합하고, DNP(dynamic nuclear polarization)방법에 의하여 일정시간 동안 초분극화시킨 후, 완충액으로 용해시킴으로서 얻어지는 것을 특징으로 하는 13C-자기공명분광영상을 이용한 암 환자의 치료 예후에 대한 정보를 제공하는 방법.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 제 1단계 또는 상기 제 3단계에서 획득하는 13C-자기공명분광영상은,
   상기 13C-피루베이트를 포함하는 조성물을 주사한 후 180초 경과되기 전까지 획득하는 것을 특징으로 하는 13C-자기공명분광영상을 이용한 암 환자의 치료 예후에 대한 정보를 제공하는 방법.
   
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