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질병 진단·치료 '마이크로 로봇' 개발 활기
연골 재생·뇌전증 발작 감지·유해물질 검출 등 효과
[기사입력 2020-02-26 06:45]
△국내에서 의료용 마이크로 로봇 개발 연구가 한창이다.

사람의 몸 속에서 각종 질병을 진단하고 치료하는 마이크로 로봇 개발이 활기를 띄고 있다.

26일 업계에 따르면 최근 국내 연구진이 최근 무릅 연골 재생하는 마이크로 로봇, 뇌전증 발작을 감지하는 나노센서, 체내 유해물질 검출을 위한 나노캡슐 등을 개발, 새로운 의료기기 등장의 기대감을 높이고 있다.

◆줄기세포 탑재 마이크로 로봇으로 무릎 연골 재생

한국마이크로의료로봇연구원은 최근 줄기세포를 탑재한 마이크로 로봇 '스템셀 내비게이터(Stem cell navigator)'를 이용해 손상된 무릎 연골을 재생하는 동물(토끼) 실험에 세계 최초로 성공했다.

이번 연구에는 연구원과 원천 기술을 이전받은 바이오트 코리아, 전남대 기계공학부, 전남대병원 정형외과·영상의학과 등이 참여했다.

연구팀은 체내에서 생분해가 가능한 다공성 마이크로 구조체 표면에 직경 1.5㎛(마이크로 미터·1㎛는 100만분의 1m)의 자성 입자들을 부착, 직경 350㎛의 줄기세포 탑재용 마이크로 로봇을 제작했다.
 
마이크로 로봇에는 사람의 지방에서 유래한 줄기세포가 탑재됐으며 손상된 연골 부위로 정밀하게 전달·이식된 줄기세포가 연골세포로 분화돼 무릎 연골 재생 효과를 극대화하도록 설계했다.

최근 퇴행성 관절염 진행을 늦추고 무릎 인공관절 수술을 피할 수 있는 방법으로 환자에게서 추출한 성체줄기세포, 연골세포와 같은 '자가 유래 세포'를 무릎 연골에 이식 혹은 주입하는 방식으로 치료가 이뤄지고 있다.

하지만 이러한 세포 기반 치료법은 주입된 세포가 스스로 움직이는 능력이 없다는 점이 가장 큰 단점이다.

따라서 윤활액 내 주사를 통한 기존 세포 주입법은 많은 양의 세포가 필요 하고 무릎 절개를 통한 침습적 시술을 해야 하는 부담이 있다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하고자 동물 골수에서 유래한 성체줄기세포를 탑재할 수 있는 '스템 셀 내비게이터' 개발을 주도해왔다.

◆신경전달물질 활용한 나노센서, 뇌전증 발작 감지

기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단 현택환 단장 연구팀은 뇌전증에 관여하는 신경전달물질인 포타슘(칼륨) 이온 농도를 실시간 측정할 수 있는 수십 나노미터(㎚·10억분의 1m) 크기의 센서를 개발, 뇌전증(간질)으로 인한 발작을 실시간 감지할 수 있게 됐다.

뇌졸중·치매와 함께 3대 뇌 질환으로 꼽히는 뇌전증은 뇌 신경세포의 불규칙적인 이상 흥분으로 인해 발생하는 질병이다. 

뇌 신경세포가 흥분하면 포타슘 이온을 바깥으로 보내 이완해야 하는데, 포타슘이 빠져나오지 못하고 흥분 상태를 계속 유지하면 뇌전증의 증상인 발작과 경련이 일어난다.

이 때문에 뇌 속 포타슘의 농도 변화를 측정하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있지만, 소듐과 칼슘 등 세포막을 통과하는 다른 이온도 함께 분비돼 포타슘 농도만 선택적으로 측정하기 쉽지 않았다. 

특히 기존 기술로는 배양된 신경세포나 마취 상태의 동물 등 제한된 환경에서만 농도를 측정할 수 있어 실제 발작이 일어난 상황에는 적용하기 어려웠다. 

연구팀은 포타슘 이온과 결합하면 형광을 내는 염료를 나노미터 크기 입자에 넣은 뒤, 나노입자 표면에는 포타슘만 선택적으로 통과시키는 얇은 막을 코팅해 포타슘 나노 센서를 개발했다.

염료가 내는 형광의 세기를 바탕으로 포타슘 이온의 농도를 측정하는 방식이다.

연구팀은 이 나노 센서를 살아 움직이는 생쥐의 뇌 해마와 편도체, 대뇌피질 부위에 각각 주입한 뒤 해마 부위에 전기적 자극을 가해 발작을 일으켰다.

그 결과 부분 발작의 경우 자극이 시작된 해마에서 편도체, 대뇌피질 순으로 포타슘 이온의 농도가 증가한 것을 확인했다.

반면 전신 발작의 경우 모든 부위에서 포타슘 이온 농도가 동시에 증가하며 지속시간 또한 길어지는 것이 관찰됐다.

기술이 상용화되면 뇌전증 환자의 뇌 신경세포 활성을 실시간으로 측정할 수 있어 전신 발작 등 응급 상황에 신속하게 대처할 수 있을 것으로 기대된다. 

◆몸속 유해물질 측정하는 나노캡슐 위치 추적 기술 개발

한국생명공학연구원은 권오석 박사팀은 최근 연세대 연구팀과 공동 연구를 통해 유해물질의 양을 측정하는 데 쓰이는 나노캡슐의 위치를 추적하는 기술을 개발했다고 18일 밝혔다.

몸속 질환이나 환경적 위해 요소를 측정하는 데 쓰이는 나노입자는 표적 위치까지 도달해 유해물질의 양을 확인하는 것을 목표로 한다.

나노입자가 목표에 도달하지 못하고 도중에 유실될 경우 유해물질의 정확한 양을 알기 어렵다는 한계가 있다.

연구팀은 우선 에너지가 낮은 빨간색 계열의 빛에 반응하는 나노캡슐을 설계했다.

이어 파란색 계열의 빛에만 선택적으로 반응하는 유해물질 검출 형광물질을 나노캡슐 표면에 부착했다.

이렇게 만든 나노캡슐을 홍합에 주사한 뒤 빛을 쏘이면 두 가지 방향으로 나오는 빛을 측정해 유해물질이 축적된 양은 물론 나노캡슐의 위치도 알 수 있다.

연구팀은 두 개의 광원을 이용할 필요 없이 단일 광원으로 두 종류의 빛을 측정할 수 있어 기존 검출기를 이용한 기술보다 비용이 저렴하고 효율도 높다고 설명했다. 


강찬우 기자  ehealth@e-healthnews.com
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