비침습성 혈당측정법의 개발
당뇨병(Diabetes)은 현대인을 괴롭히는 대표적인 만성질환입니다. 혈당이 높아지는 증세를 보이는데 결국엔 오줌속에 포도당이 나오는 현상을 일으키기 때문에 당뇨병이라고 부르죠. 성인 당뇨는 그 원인도 불분명하지만 치료또한 쉽지가 않아 난치성 질환이라고 할 수 있습니다. 나이가 들면서 건강에 여러 문제를 일으키는 아주 무서운 질병입니다. 혈액의 포도당 농도가 높으면 혈액이 끈적해지고 기능도 떨어지게 됩니다. 결국 혈액 순환에 문제를 일으키기 때문에 각종 합병증을 일으키게 되는 거죠. 그래서 당뇨병은 관리가 중요하다고 합니다. 전에는 주로 식사량을 조절하여 혈당량을 낮추는 방법을 권했는데 환자가 받는 스트레스가 또한 문제가 되기 때문에 혈당조절약을 이용한 방법들을 많이 사용하고 있습니다.
여기서는 이런 당뇨환자들이 자신의 혈당량이 궁금할 떄 꼭 피를 뽑아 측정해야하는 어려움을 해결하고자 새로운 비침습성 측정법을 개발한 내용입니다. 아직 실용화되지는 못했지만 충분히 가능성이 있을 것 같군요. 당뇨병 환자가 주위에 있다면 비침습성 혈당측정법이 얼마나 절실한지 알 수 있습니다. 수십년을 매일 바늘에 찔린다는건 엄청난 스트레스죠. 잘만 개발된다면 그야말로 대박을 칠 아이템이라고 봅니다. 사실 이런 연구는 이미 다른 연구자들이 개발한 포도당-형광 분자(glucose-fluorescence monomer)를 활용한 것입니다. 이와같이 다른 연구자들의 연구 성과를 응용해서 환자들이나 일반인들이 사용할 수 있도록 만드는 노력 또한 중요합니다. 이런 노력들이 없다면 과학발전의 혜택을 일반 사람들은 받을 수 없을 테니 말입니다. 사회에 공헌도 하고 돈도 버는 아주 바람직한 연구입니다. 단, 돈을 번다면 다른 사람의 아이디어를 공짜로 헐값에 쓸 생각은 말아야 합니다. 마치 히트 곡을 작곡한 사람에게 그 이득을 돌려주지 않는것과 같죠.
비침습성 혈당측정법: 피를 뽑지 않아도 되는 혈당측정법
새로운 형태의 투명 형광 패치로 생쥐의 혈당을 지속적으로 측정할 수 있다.
당뇨병을 앓고 있는 사람들에겐 매일 매시간 혈당을 모니터링하는 것이 중요하다. 하지만 대부분의 혈당측정법은 피부를 뚫어야 하는 침습성(혈액을 뽑아서 하는) 검사이기 때문에 고통이 따르게 된다.
올들어 한국의 연세대학교에서 착용자의 혈당에 따라 형광을 내는 패치를 개발하였다. 최근 Science Advances에 게재된 논문에 따르면 얇고 투명하며 생분해가 가능한 패치를 이용하여 생쥐의 혈당량을 성공적으로 측정하였다.
연구자들에 따르면 스마트폰 어플리케이션과 연결하면 당뇨환자의 혈당 변화를 지속적으로 모니터링 할 수도 있을 것이라고 한다.
수 많은 당뇨병 환자들이 혈당을 재기 위해 정규 측정법을 사용하고 있다. 손가락 끝에 란셋이나 아주 가는 바늘을 이용하여 상처를 내고 한 방울의 혈액을 얻어 측정한다. 이게 잘못되면 상당히 아플 수 있고 굳은 살이 배기기도 한다. 다른 대체 방법들도 있지만 대부분 침습성이긴 마찬가지다.
이 연구에 참여한 연세대학교의 전기공학자인 유기준 박사는 현재의 이런 문제들을 해결하는 방법으로 “믿을만한 수준에서 지속적으로 혈당량을 기록할 수 있는 최소 침습 혈당측정 소재”를 활용한 것이다. 그와 동료들은 이 소재를 생분해가 가능하도록 만들었고 이는 환자가 나중에라도 제거해야할 걱정을 덜어주는 것이다. 이 센서는 3일 마다 완전히 분해된다.
이 센서는 두개의 층으로 구성되어 있는데 윗층은 폴리비닐 알코올로 만들어졌다. 아래층은 피부를 뚫고 들어가는 작은 바늘들이 배열되어 있는데 이들의 길이는 신경에 닿지 않을 정도로 짧다. 즉, 통증을 주지 않는다는 것이다. 이 층은 또한 생분해가 잘 되는 것으로 알려진 비단으로 만들어져 있다.
포도당 양을 측정하기 위해서는 이들은 두 부위로 구성된 포도당 형광(glucose fluorescence, GF) 단량체를 채용하였다. 이 분자의 한쪽은 간질액 속 포도당과 결합하는 di-boronic acid로 구성되어 있으며 여기에 소수성 형광물질이 붙어 있다. 이 분자에 포도당이 결합하면 모양이 바뀌면서 형광을 띠는 것이다. 즉, 푸른 빛을 받아 붉은 빛을 내게 된다.
이 센서의 정확도를 알아보고자 당뇨에 걸린 털없는 생쥐(diabetic nude mouse)에 센서를 심어보았다. 정맥주사를 통해 포도당을 주입하면서 이 패치에 빛을 쪼이고 카메라를 이용해 형광을 측정하였다.
이 패치형 센서는 몸 어디에라도 붙일 수 있다고 유박사는 말했다. 혈당을 재고 싶으면 어느 때라도 스마트폰으로 빛을 비추고 스마트폰 카메라를 활용하는 어플리케에션으로 센서에서 발산되는 형광을 측정할 수 있을 것이라고 한다. 이들 연구자들도 실제 실험은 해보지 않았기 때문에 아직까지는 추축에 불과하다.
“이 구성은 란셋을 이용한 방법을 포함해서 기존의 혈당량 측정방법을 완전히 대체할 것입니다. 그래서 당뇨환자들이 저혈당이나 고혈당을 효과적으로 막을 수 있을 거에요.”라고 유박사는 말했다.
이 연구에 직접 참여하지 않은 University of Colorado School of Medicine의 소아 내분비학자인 Gregory Forlenza에 따르면 이는 획기적인 기술이라고 한다. 하지만 환자들이 원하는 것과 완전히 일치하지는 않는다면서. “젊은 이들이 학교나 레스토랑 등 다른 사람들이 보는 장소에서 자신의 카메라를 들어 신체의 일부를 찍는 생각인데 --- 저는 다른 사람들 앞에서 하고 싶지는 않을 것 같아요.’라고 설명했다. 참고로 Forlenza는 또 다른 혈당 감시 시스템을 만들고 있는 회사인 Medtronic사, Dexcom사와 함께 연구를 하고 있다.
“저자들은 환자들이 특히 위험에 빠질 수 있는 낮은 포도당 농도에서 센서의 감도를 정량적으로 보여주는 실험을 더 해야한다고 본다. “고 Forlenza는 덧 붙였다.
또한 Forlenza는 잠재적으로는 인슐린 펌프와 같은 인슐린-주입 장치와 연동하면 더 강력한 어플리케이션이 될 것이라고 말했다.
유박사는 사람에게 적용하기 위해선 몇 단계 더 남아있고 디자인도 개선되야 한다는 점에 동의하면서 앞으로 이 기술이 당뇨병 환자들에게 큰 도움이 될 것이라는 낙관적인 견해를 밝혔다.
<이 글은 아래의 기사를 반역한 것입니다.>
Natalia Mesa, PhD, A noninvasive glucose monitor for managing diabetes. The Scientist Jul. 20, 2023.
<원문 REFERENCES>
1. Sang M, et al. Fluorescent-based biodegradable microneedle sensor array for tether-free continuous glucose monitoring with smartphone application. Sci Adv. 2023;9(22):eadh1765.
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4. Shibata H, et al. Injectable hydrogel microbeads for fluorescence-based in vivo continuous glucose monitoring. Proc Natl Acad Sci USA. 2010;107(42):17894-17898.