[물리학] 양전자 소멸로 전립선암을 찾는 : F-18 PSMA PET 프로스타뷰

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이번 탐구에서는 2022 개정 물리학의 빛과 물질 → 빛의 이해 단원에서 학습하는 빛의 입자성과 광자 에너지를 바탕으로, 전립선암의 최신 분자 영상 검사인 F-18 PSMA PET이 전립선암의 위치를 영상으로 계산하는 과정을 살펴보겠습니다.

⇢ 원자와 입자의 기본 개념부터 시작해 F-18이 양전자를 방출하는 이유, 광자 한 개의 에너지, PET 검출기가 광자 신호로 몸속 위치를 계산하는 과정을 순서대로 설명합니다.

# 43번째 국내 개발 신약, 무엇이 달라졌을까?

기존에는 전립선암을 치료한 뒤 재발이나 전이가 의심되면 CT, MRI, 뼈스캔 같은 영상검사를 시행해 왔습니다. 해당 검사들은 림프절의 크기와 장기의 형태, 뼈의 변화를 보여줍니다.

그러나 이러한 영상검사에서 구조가 달라졌다는 사실만으로 그 부위가 전립선암인지 바로 확정하기 어려운 경우가 있습니다. 특히 크기가 크지 않은 병변은 형태 변화가 뚜렷하지 않을 수 있습니다.

출처 : 한국신약개발연구조합

2026년 4월 30일 식품의약품안전처는 '퓨쳐켐'의 프로스타뷰주사액을 43번째 국내 개발 신약으로 허가했습니다.
(관련 기사 https://www.yna.co.kr/view/AKR20260504070000017)

프로스타뷰는 암의 모양만 확인하는 대신, 전립선암에서 흔히 증가하는 PSMA 단백질을 타겟으로 하는 방사성 추적자의 분포를 PET으로 확인하는 것입니다. (즉, 프로스타뷰의 약물 성분인 플로라스타민(18F)가 전립선암 세포에서 흔히 증가하는 PSMA 단백질에 결합하고, 그 곳에서 방사선을 방출하는 방사성 추적자로 작동합니다)

⇢ 따라서 CT, MRI, 뼈스캔에서 암으로 의심되는 부위가 발견되는 경우 프로스타뷰 PET를 통해 분자 표적 추가 정보로 더 정확하게 암을 판단할 수 있습니다.

(PET는 이전 메디컬저널 참고 바랍니다 : https://arc-high.com/journal/151)

그림 1. 기존 영상검사와 프로스타뷰 PET의 양성예측도. 식품의약품안전처 품목허가 보고서의 수치를 이용했습니다.

이러한 비교에 따르면 프로스타뷰 PET에서 양성으로 판독된 사례는 기존 영상검사의 양성 판독보다 실제 질환과 일치한 비율이 높았습니다.

※ 단, 양성예측도는 전체 환자 가운데 암을 찾아낸 비율이 아니라 두 검사에서 양성으로 판독된 집단을 각각 분모로 사용합니다 (뒤에서 더 자세하게 다룸)

프로스타뷰는 국내 기업이 PSMA에 결합하는 분자를 개발하고 F-18을 표지한 뒤, 임상시험과 허가심사를 거쳐 실제 진단용 방사성의약품으로 품목허가를 받았다는 점에서 의미가 있습니다.

물리학에서 빛이 광자라는 개별 단위로 물질과 에너지를 주고받는다는 내용을 학습한 뒤, 의료영상 장치는 광자를 어떻게 몸속 위치 정보로 바꾸는지 궁금증을 가지게 되었다. PET 사진을 보면 밝은 부위가 병변처럼 보이지만, 이는 장치가 암세포를 직접 촬영하는 것은 아니라 몸속에서 나온 광자를 검출하고 그 광자가 생겼을 가능성이 높은 위치를 계산한다는 점이 신기했다.

프로스타뷰를 이해하려면 먼저 물리학에서 배운 입자의 종류와 빛의 에너지를 알아야 했다. 이번 탐구에서는 원자핵 속 양성자 하나가 중성자로 바뀌는 과정, 그때 방출된 양전자가 전자와 만나는 과정, 두 광자가 검출기에서 전기 신호로 바뀌는 과정을 차례로 정리해보며 이후 허가심사 자료의 진단 성능을 직접 계산해, 물리적 원리와 임상적 가치의 관계도 확인하려고 한다.

# 원자의 구성 (양성자, 중성자, 전자)

F-18의 18이 무엇을 뜻하는지 이해하려면 원자의 구조부터 살펴봐야 합니다. 아래 그림과 같이 원자의 중심에는 원자핵이 있고, 원자핵은 양성자와 중성자로 이루어집니다. 전자는 원자핵 바깥에 존재합니다.

양성자 수는 원소의 종류를 결정합니다. 플루오린은 양성자가 9개인 원소입니다. 양성자와 중성자의 수를 더한 값은 질량수이며 F-18은 양성자 9개와 중성자 9개를 가져 질량수가 18입니다.

자연에 흔한 F-19는 양성자 9개와 중성자 10개를 가집니다. 두 원자는 양성자 수가 같아 모두 플루오린이지만, 중성자 수가 다릅니다. 이처럼 같은 원소에서 중성자 수가 다른 원자를 동위원소라고 합니다.

F-18의 원자핵은 양성자 9개와 중성자 9개로 이루어져 있습니다. 안정한 불소 원자핵인 F-19보다 중성자가 하나 적어, 양성자가 상대적으로 많은 불안정한 상태입니다.

# 방사성 붕괴와 양전자 방출

F-18처럼 양성자와 중성자의 구성이 불안정한 원자핵은 시간이 지나면 더 안정한 원자핵으로 변합니다. 이 현상을 방사성 붕괴라고 합니다.

양전자는 전자와 질량은 같지만 전하가 반대인 입자입니다. 전자는 음전하를 띠고 양전자는 양전하를 띱니다. 양전자는 이름이 비슷한 양성자와는 다른 입자입니다.

F-18이 붕괴할 때에는 원자핵 안의 양성자 하나가 중성자로 바뀝니다. 이때 양전자와 함께, 전하가 없고 물질과 거의 반응하지 않는 전자 중성미자가 방출됩니다. 이 붕괴 방식을 베타 붕괴라고 합니다.

다음 식에서 p는 양성자, n은 중성자, e⁺는 양전자, νe는 전자 중성미자를 나타냅니다. 원소 기호의 왼쪽 위 숫자는 질량수, 왼쪽 아래 숫자는 양성자 수입니다. F는 플루오린, O는 산소를 뜻합니다.

양성자 수가 9개에서 8개로 줄면 원소는 플루오린에서 산소로 바뀝니다. 양성자와 중성자를 합한 질량수는 18로 유지되므로 F-18은 산소의 동위원소인 O-18이 됩니다.

# PET 영상과 빛에너지

PET은 양전자 방출 단층촬영을 뜻하며, 영어 이름인 Positron Emission Tomography의 첫 글자를 딴 명칭입니다. 이름에 들어 있는 positron은 F-18에서 방출되는 양전자를 뜻합니다.

PET 장치는 양전자가 전자와 만난 뒤 생기는 빛을 검출합니다. 이 빛이 검출기에 에너지를 전달하는 방식을 이해하려면, 먼저 빛이 물질에 에너지를 전달하는 방식을 알아야 합니다. 이를 설명하기 위해 광전 효과를 먼저 살펴보겠습니다.

그림 3. 진동수가 낮은 빛은 전자를 방출시키지 못하지만, 진동수가 충분히 높은 빛은 전자를 방출시킵니다.

광전 효과는 금속판에 빛을 비추었을 때 금속 안의 전자가 밖으로 방출되는 현상입니다. 전자가 금속 밖으로 나오려면 빛으로부터 일정한 크기 이상의 에너지를 받아야 합니다.

이 실험에서는 빛의 밝기와 진동수를 구분해야 하는데, 밝기는 같은 시간에 금속판에 도달하는 빛의 양과 관련됩니다. 진동수는 빛의 파동이 1초 동안 반복되는 횟수이며, 단위는 헤르츠(Hz)입니다.

광전 효과 실험에서 진동수가 일정한 값보다 낮은 빛은 아무리 밝게 비추어도 (= 빛의 양이 아무리 많아도) 전자를 방출시키지 못합니다. 반대로 진동수가 충분히 높은 빛은 약하게 비추어도 전자를 방출시킵니다. 따라서 전자의 방출 여부는 빛의 전체 양만으로 결정되지 않습니다.

이 결과를 통해 우리는 빛이 에너지를 광자라는 개별 단위로 전달한다는 방식을 이해할 수 있습니다. 같은 진동수에서 빛의 밝기를 높이면 같은 시간에 금속판에 도달하는 광자의 수가 늘어납니다. 그러나 광자 한 개의 에너지는 밝기가 아니라 진동수로 정해집니다.

진동수가 낮은 광자는 한 개당 에너지가 작아 전자를 방출시키지 못합니다. 이런 광자를 많이 보내도 광자 한 개의 에너지는 변하지 않습니다. 반대로 진동수가 충분히 높은 광자는 한 개가 흡수되어도 전자를 금속 밖으로 내보낼 수 있습니다.

광자 한 개의 에너지를 E, 빛의 진동수를 f라고 하겠습니다. h는 에너지와 진동수의 관계를 정하는 일정한 값인 플랑크 상수입니다. 세 값의 관계는 다음과 같습니다.

플랑크 상수는 변하지 않으므로 진동수가 높아질수록 광자 한 개의 에너지가 커집니다.