유기준 교수팀, 가정에서 손쉽게 진단 가능한 연속 혈당 모니터링 시스템 개발

형광 기반 생분해성 마이크로니들 활용해 혈당 모니터링의 새로운 패러다임 제시

국제 융합연구 분야 최고 권위지 ‘Science Advances (IF 14.98)’ 게재

[사진. (왼쪽부터) 유기준 교수, KIST 정영미 박사]

공과대학 전기전자공학과 유기준 교수(연세-KIST융합연구원), KIST 정영미 박사(생체재료연구센터, 연세-KIST융합연구원), 경희대 허윤정 교수(기계공학과) 공동 연구팀은 체내 포도당에 민감하게 반응하는 형광 물질을 적용해 ‘형광 기반 생분해성 마이크로니들 어레이 센서를 통한 완전 무선 연속 혈당 모니터링 시스템’을 세계 최초로 개발했다. 이를 통해 당뇨병 환자들의 불편함을 줄이고 질병을 효과적·자율적으로 관리할 수 있는 발판을 마련했다.

국제당뇨병연맹에 따르면 전 세계 당뇨병 환자 수는 5억 3,660만 명으로 전체 인구의 10.5%이며, 2045년에는 7억 8,320만 명이 넘을 것으로 예상된다. 당뇨병 자체의 심각성뿐 아니라 다른 장기에 합병증 발생률도 매우 높아 전 세계 사망률의 11.3%가 당뇨병에 기인한다. 따라서 지속적으로 당뇨병을 관리해야 하며, 특히 체내 혈당 수치의 정밀한 모니터링이 필수이다. 현재 널리 사용되는 혈당 측정법은 채혈침 진단법으로, 바늘을 사용해 손가락 끝을 찌르는 침습적인 채혈 절차가 필요하다. 이 방법은 정확도가 높지만 통증, 피부 손상, 상처, 세균 침입의 가능성을 동반하며, 지속적인 혈당 정보를 제공할 수 없다.

‘연속 혈당 모니터링(Continuous Glucose Monitoring, CGM)’은 혈당 수치를 실시간으로 추적하며 저혈당/고혈당으로 인해 발생하는 합병증을 예방하기 위한 정보를 제공한다. 현재 상용화된 센서 바늘 부착형 1세대 CGM은 피부에 부착된 송신기로 인한 불편함, 센서 침습에 따른 상처를 통한 감염 위험 및 2주의 짧은 수명 등의 단점이 있다. 완전 이식형 2세대 CGM은 최대 6개월까지 수명이 늘어났으나, 이식 및 제거 수술이 필요하다. 이에 땀, 눈물 등 생체액으로부터 포도당 수치를 비침습적으로 측정하려는 시도도 있었지만, 충분한 양의 땀을 얻기 위해서는 덥고 습한 환경이 필요하고, 화장품 등으로 인한 잠재적 오염 문제, 눈물과 혈당의 낮은 상관관계 등 난관이 있었다.

본 연구에서는 기존 시스템의 한계를 극복한 ‘CGM용 최소 침습 형광 기반 생체 흡수성 마이크로니들 어레이’를 제시한다. 포도당 반응형 형광 단량체(GF-monomer)를 포함한 마이크로니들 센서는 체액에 포함된 포도당과 결합해 형광을 발현하는데, 체내 포도당 농도에 따라 형광 강도가 달라져 쉽게 포도당 농도를 확인할 수 있다. 

연구진이 개발한 시스템은 테더링 없이 작동돼 자유롭게 움직이면서 원하는 시간에 포도당을 측정할 수 있고, 모바일 액세서리와 애플리케이션을 개발해 사용자 친화적인 가정 내 혈당 자가 진단이 가능하다. 여러 각도에서 혈당 수치를 측정할 수 있어 다양한 사용자와 환경을 포괄할 수 있다는 장점도 있다. 

또한, 마이크로니들 센서는 매우 작고 가벼우며 제작 공정이 비교적 쉽고 저렴하다. 피부에 최소 침습적으로 부착돼 통증, 상처, 피부 염증으로부터 자유롭고, 조직액의 포도당 농도를 지속해서 정밀하게 모니터링할 수 있다. 생체 적합성 소재로 구성돼 인체에 안전하며, 측정과 동시에 체내에서 흡수·분해되므로 사용 후 제거할 필요가 없다. 연구진은 동물 실험을 통해 체내 안전성, 포도당 감지 능력, 생분해 특성, 장기 사용 잠재성을 확인했다. 

이번 연구를 통해 당뇨병 정밀 진단 및 관리, 합병증 방지를 위한 의학 연구의 획기적 발판이 마련됐다. 연구진이 개발한 시스템은 감염 위험을 크게 줄이고 환자의 편안함과 순응도를 향상시킨 시스템으로, 연속 혈당 모니터링뿐 아니라 인슐린 등 약물 전달 분야에도 활용 가능성이 높아 그 학술적·사회적 가치가 매우 크다.

유기준 교수는 “당뇨병 환자의 지속적인 혈당 모니터링은 매우 중요하지만 현재 기술은 고통을 동반하는 침습형의 혈당 측정기가 대부분이고, 연속 혈당 측정이 불가능했다. 본 연구는 혈당 모니터링의 새로운 패러다임을 제시하는 기술로, 관련 분야 사회 문제 해결과 의료 산업에 큰 파급 효과를 미칠 것”이라고 밝혔다. 현재 유기준 교수 연구팀은 형광 기반 연속 혈당 측정과 당뇨병 치료 약물 전달이 모두 가능한 다기능성 생분해 마이크로니들 센서 개발과 상용화를 위한 연구에 박차를 가하고 있다.

본 연구는 연세-KIST 융합사업, 과학기술정보통신부 나노소재원천사업, 기초연구사업, 중견연구사업의 지원을 받아 우리 대학교 상민규·조명기·임세린·민인식 연구원(제1저자), 유기준 교수(교신저자), KIST 정영미 박사(교신저자), 경희대 허윤정 교수(교신저자) 연구팀의 협업으로 진행됐으며, 사이언스(Science) 자매지이자 국제 융합연구 분야 최고 권위지인 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances, IF 14.98)’에 5월 31일 게재됐다.

논문정보

●논문제목: Fluorescent based Biodegradable Microneedle Sensor Array for Tether-free Continuous Glucose Monitoring with Smartphone Application

●논문주소: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adh1765 

용어설명

●마이크로니들(Microneedle): 피부 표면에 침습 가능한 수십~수백 마이크론(μm) 사이즈의 미세한 바늘 형태의 구조이다. 전통적인 주삿바늘에 비해 상대적으로 더 작고 얇으며, 피부의 최상층을 관통해 약물 전달, 진단, 및 생체 모니터링 등에 사용된다. 마이크로니들은 통증이 거의 없고 상처가 없으며 피부 염증 위험이 매우 낮아 사용자의 고통과 불편함을 낮춰, 의료 분야 등에 널리 연구, 사용되고 있다.

●조직액(Interstitial Fluid): 조직액은 세포 사이에 위치한 액체로, 세포 외 매체의 일부분이다. 조직액은 혈액의 혈장 부분에서 빠져나와 세포와 세포 사이의 공간을 채우는데, 이 공간을 인터스티셜 공간(조직 사이 공간)이라고 부른다. 조직액은 영양분과 산소 전달, 대사 산물 제거, 혈관계에서 림프계로의 전환, 세포 간 물질 교환 등의 역할을 한다.

●자가 혈당 측정법: 란셋 측정법은 손가락 끝이나 기타 부위의 피부를 살짝 찔러서 작은 양의 혈액을 얻어 혈당 수치를 측정하는 방법이다. 주로 당뇨병 환자들이 자가 혈당 모니터링을 위해 사용하는 방식이다. 란셋 방법은 혈당을 측정하는 가장 일반적이고 편리한 방법 중 하나이다. 이 방법을 통해 당뇨병 환자들은 혈당 수치를 주기적으로 확인하고, 식사 계획이나 운동, 인슐린 투여 등의 관리를 효과적으로 할 수 있다. 그러나 란셋 방법은 부위가 자주 찔릴 경우 통증이나 피부 손상이 발생할 수 있으므로, 찌르는 부위를 번갈아 사용하거나 란셋 바늘을 정기적으로 교체하는 것이 좋다.

그림설명

[그림 1. 포도당 반응형 형광 단량체(GF-monomer)의 포도당 검출 및 형광 발현 메커니즘]

[그림 2. 생분해성 마이크로니들 포도당 센서의 제작 과정]

[그림 3. 생분해성 마이크로니들 센서를 이용한 연속 혈당 측정 과정]

[그림 4. 생분해성 마이크로니들 센서를 사용한 CGM 결과]

[그림 5. 사용자 친화적인 자가 혈당 진단 시스템]