44Sc와 J‑PET으로 구현한 최초의 조직 외부 양전자스톤 영상

초록

본 연구는 44Sc 방사성 동위원소와 모듈러 J‑PET 스캐너를 이용해 인간 지방 조직, 심장 근종, 혈전, 다공성 폴리머 XAD‑4 및 융합 실리카 기준 물질(CRM)에서 최초로 외부(ex‑vivo) 양전자스톤(오르토‑포지트로니움) 수명 영상을 수행하였다. 44Sc의 β⁺·γ 동시 방출 특성을 활용해 평균 오르토‑포지트로니움 수명을 정확히 재구성했으며, 기존 연구와 일치하는 결과를 얻었다. 이는 44Sc가 양전자스톤 영상(PLI)용 방사성 표지자로서 실용적임을 입증한다.

상세 분석

본 논문은 양전자 방출 후 일시적으로 형성되는 양전자스톤(특히 오르토‑포지트로니움, o‑Ps)의 평균 수명을 조직 미세구조와 산소 농도의 지표로 활용하는 새로운 영상법, 즉 양전자스톤 수명 영상(PLI)의 가능성을 실험적으로 검증한다. 핵심은 44Sc 방사성 동위원소의 선택이다. 44Sc는 β⁺ 붕괴 비율이 94.3 %에 달하고, 1157 keV의 프롬프트 γ선(방출 확률 ≈ 100 %)을 동반한다. 이는 기존에 사용된 22Na(반감기 2.6 년, 실험실용), 68Ga, 124I, 82Rb 등보다 짧은 반감기(≈ 4 h)와 높은 프롬프트 γ 비율을 제공해, 임상 적용 시 환자 피폭을 최소화하면서도 동시 검출이 가능하도록 만든다. 44Ca(p,n)44Sc 반응을 이용해 폴란드 와르샤와 대학의 중이온 실험실에서 2 h 25 분 동안 10.6 mA 전류로 타깃을 폭격해 7.085 MBq의 44Sc 용액을 얻었다. 화학적 정제 과정에서는 HCl 용액으로 스칸듐을 추출하고, 흑색 그래파이트 입자를 필터링한 뒤 pH를 4.0 이하로 유지해 플라스틱 조직에 부식이 일어나지 않도록 했다.

영상 실험은 J‑PET 모듈러 스캐너를 사용했다. 이 시스템은 24개의 플라스틱 섬광 스트립 모듈(각 13개 스트립, 길이 50 cm, 단면 6 mm × 24 mm)로 구성돼 전체 무게는 약 60 kg이며, 경량화와 이동성을 갖춘다. 플라스틱 섬광은 고속 시간 해상도와 다광자(511 keV 광자 + 프롬프트 γ) 동시 검출을 가능하게 하며, 다중 광자 상관관계 분석을 통해 o‑Ps의 삼중 광자 붕괴를 구분한다. 실험에서는 5 ml 에펜도프 튜브에 각각 0.25 mL의 44Sc 용액을 넣은 시료(인간 지방 조직, 심장 근종, 혈전, XAD‑4, CRM)를 배치하고, 6 시간 동안 약 3.97 백만 건의 이벤트를 수집했다. 마이크로‑CT(Bruker SkyScan 1172)를 이용해 시료 위치와 형태를 사전 확인했으며, 데이터는 50 ns 시간 창에서 포지트로니움 소멸 시간 스펙트럼(PALS)으로 변환했다.

PALS 분석은 세 개의 지수함수(짧은 0.125 ns 파라‑Ps, 0.4–0.5 ns 자유 포지트론 소멸, 1–4 ns o‑Ps)와 가우시안 해상도 함수를 합성해 피팅했다. CRM(융합 실리카)과 XAD‑4에서 얻은 평균 o‑Ps 수명은 각각 2.92 ns와 3.45 ns로, 문헌값과 일치함을 확인했다. 인간 지방 조직은 2.71 ns, 심장 근종은 2.66 ns, 혈전은 2.58 ns로 측정돼 기존 ex‑vivo 및 in‑vivo 연구와 차이가 없었다. 이는 J‑PET가 플라스틱 기반 검출기임에도 불구하고, 프롬프트 γ와 511 keV 광자를 동시에 활용해 o‑Ps의 삼중 광자 붕괴를 효과적으로 구분할 수 있음을 의미한다.

결과적으로 44Sc는 높은 β⁺·γ 동시 방출 비율과 적절한 반감기로 인해 PLI에 최적의 방사성 표지자임이 입증되었다. J‑PET의 모듈러 설계와 저비용 플라스틱 섬광은 전통적인 석영·라세베리 검출기 대비 약 5배 저렴하면서도 다광자 검출 능력을 제공한다. 향후 44Sc를 이용한 인‑비보(인체 내) 양전자스톤 영상이 가능해지면, 조직의 미세공극 부피와 산소 포화도 변화를 비침습적으로 모니터링할 수 있어 암, 혈전, 염증 등 다양한 질환의 조기 진단 및 치료 반응 평가에 혁신적인 도구가 될 전망이다.