경희대학교(총장 한균태) 기계공학과 허윤정 교수와 연세대학교 전기전자공학과 유기준 교수, KIST 생체재료연구단 정영미 박사 공동 연구팀이 세계 최초로 비효소 포도당 센싱 형광 물질을 적용해 연속 혈당 모니터링이 가능하고, 무선으로 구동하는 생분해성 마이크로니들 센서를 개발했다. 연구 결과는 ‘Fluorescent based Biodegradable Microneedle Sensor Array for Tether-free Continuous Glucose Monitoring with Smartphone Application’이란 논문으로 국제학술지인 <Science Advances>(IF=14.980)에 게재됐다.

환자 스스로 손 찔러 검사하거나 생활 불편했던 기존 혈당 측정법 극복 가능
세계보건기구(WHO)에 따르면 전 세계의 당뇨환자는 4억 명이 넘는 것으로 나타났고, 그 숫자는 지속해서 늘어나고 있다. 한국은 초고령 사회로 진입했고, 합병증 유발과 사망률을 높이는 당뇨병 관리는 개인을 넘어 사회적 이슈로 대두되고 있다. 당뇨를 효과적으로 관리하기 위해서는 일상생활 중에 계속 변화하는 혈당을 정상 범위로 조절해야 한다. 관리를 위해 환자는 혈당을 스스로 측정해야 한다. 

일반적인 ‘자가 혈당 측정법’은 바늘로 손끝을 찔러 채혈한 후, 포도당 센싱 효소 전극이 프린트된 스트립에 떨어뜨려 글루코스 미터로 혈당을 측정하는 방식이다. 그러나 이러한 간헐적 측정 방법은 식이, 운동, 수면 등 일상생활을 통해 계속해서 변하는 혈당 정보를 제한적으로 제공한다. 고혈당이 저혈당 발생 시 대응에도 한계가 있어, 당뇨병 합병증 예방에 효과적이지 않다. 측정 과정에서 통증과 피부조직 손상을 일으키는 것도 문제다. 

이러한 문제를 해결하기 위한 대체측정법은 생체 이식형 포도당 센서를 이용한 ‘연속 혈당 측정기(Continuous Glucose Monitoring, CGM)’가 대표적이다. 이 방법은 사용자가 잠을 자거나 일상생활 중에도 별도의 조치 없이 계속해서 혈당을 측정한다. 고혈당이나 저혈당이 발생하면 알람을 줘, 효과적으로 당뇨 합병증을 예방할 수 있다. 

CGM은 크게 1세대와 2세대로 나뉜다. 1세대 CGM은 포도당 센싱 효소 전극을 피하에 이식하는 방식이다. 전극과 연결된 두꺼운 트랜스미터를 피부에 부착한 채로 사용하는 반이식 부착형 CGM이다. 이런 방식은 피부 트러블이나 생활의 불편함이 문제로 제시된다. 미국과 유럽에서는 이런 문제를 해결한 완전 이식형 2세대 상용 CGM도 사용되고 있다. 하지만 이 방식은 이식 수술과 제거 수술이 필요한 점이 사용자에게 큰 부담으로 작용한다. 

사용자 스스로 피부에 부착·제거할 수 있는 마이크로니들, 체내 분해돼 피부 손상 최소화
공동 연구팀은 기존 CGM의 한계를 극복하기 위해 ‘비효소 포도당 센싱 형광 물질’을 ‘생분해서 물질’과 함께 수백 마이크로미터 크기의 마이크로니들 형태로 성형해 이를 얇은 필름에 부착했다. 비효소 포도당 센싱 형광 물질은 효소나 시약이 필요 없어 가역적으로 포도당을 센싱해 체내에서 장기간 사용하기 적합한 물질이다. 포도당 산화 효소에 이어 2번째로 상용화에 성공한 포도당 센싱 물질로 꼽힌다. 효소 기반 센서와 다르게 빛의 세기로 혈당을 측정할 수 있어, 스마트폰을 이용한 무선 측정에도 최척화된 물질로 기대받았다. 

연구팀은 생분해성 실크피브로인과 폴리비닐알코올을 기반으로 마이크로니들을 제작했다. 이 마이크로니들은 별도의 수술 없이 사용자 스스로 피부에 부착하고 제거할 수 있다. 체내에서 분해돼 피하조직과 피부 손상도 최소화할 수 있고, 체내에서 흡수 분해돼 사용 후 제거할 필요도 없다. 연구팀이 개발한 초박형 마이크로니들 어레이는 피부에 최소한 침습해 통증이나 상처, 피부 염증 등에 완전히 자유롭다. 또한 혈당과 상관관계가 높은 피하간질액의 포도당 농도를 지속해서 모니터링할 수 있다. 

연구팀은 센서와 통합된 모바일 엑세서리와 어플리케이션을 개발해 테더링 없이 무선으로 체내 포도당 농도를 연속적으로 감지하는 데 성공했다. 이 결과는 채혈을 동반하는 자가 혈당 측정법의 혈당 측정 결과와 높은 상관관계를 보였다. 또한 여러 각도에서 혈당 수치를 측정할 수 있어 다양한 사용자와 환경을 포괄할 수 있는 점도 장점이다. 생분해성 마이크로니들형 혈당 센서는 얇게 제작할 수 있어, 빛의 세기로 혈당 정보를 얻을 수 있다. 상용 CGM의 문제점 중 하나였던 두꺼운 트랜스미터를 제거할 수 있어 사용자의 편의성을 더욱 높였다. 

연구팀은 체외 및 채내 실험을 통해 생체 안정성, 포도당 감지 능력, 생분해 특성, 장기 사용 잠재성을 확인·입증했다. 특히 보론산 기반 비효소 포도당 센싱 형광 물질이 체내에 흡수되면 24시간 후에 체외로 배출되는 것을 동물 실험을 통해 입증한 최초의 연구 결과이다. 해당 연구 연구 분야에서의 영향력이 큰 결과기도 하다. 

이번 연구는 3세대 CGM로의 가능성을 확인한 결과이기도 하다. 연구팀은 동물 실험을 통해 해당 센서의 장기 사용에 대한 잠재성과 체내 안전성을 확인했다. 현재 사용 중인 CGM은 반 이식형(1세대), 완전 이식형(상용 2세대)으로 나뉘는데, 연구팀이 개발한 센서는 이전의 혈당 측정기기와 비교해 사용자 편의성을 크게 향상해 3세대 연속 혈당 측정기기로 활용할 수 있다. 당뇨뿐 아니라 혈당 관리가 중요한 성인병이나 암 환자까지 그 활용도를 크게 높일 수 있을 것으로 기대된다. 

허윤정 교수는 “연구를 통해 초고령화 사회 진입과 함께 지속해서 늘어나는 당뇨를 포함한 각종 성인병과 암으로 인한 개인과 사회적 부담을 크게 줄일 수 있다. 특히, 당뇨 합병증 예방 및 암 생존자의 혈당 관리를 통해 재발이나 기타 질병으로의 발전을 예방할 것으로 기대한다”라고 밝혔다. 연구팀은 “생분해성 마이크로니들은 연속 포도당 모니터링뿐 아니라 추후 인슐린 등의 약물 전달과 같은 적용 및 활용 가능성도 높아, 그 학술적·사회적 가치가 매우 크다. 바이오 분야나 소재 분야, 센서 분야, 의학 분야 관련 연구와 산업에 큰 영향을 줄 수 있을 것으로 예상한다”라고 의미를 밝혔다. 

이번 연구는 과학기술정보통신부의 나노소재원천사업과 기초연구사업, 중견연구사업의 지원을 받아 수행됐다. 

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