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작년 12월, 미국 텍사스 대학교의 오스틴 캠퍼스 연구팀이 두피에 그릴 수 있는 ‘전자 문신(e-타투)’ 기술을 제시한 적이 있다. 동일한 연구팀이 이번에는 얼굴 부위에 부착할 수 있는 무선 센서를 개발했다. 기존에 선보인 기술에 비해 한 단계 더 나아간 결과다. 이번 성과는 오픈 액세스 저널 <디바이스(Device)>에 게재됐다.

 

이마에 부착할 수 있는 e-타투

우선 오해할 수 있는 부분을 바로잡아야겠다. e-타투라는 명칭 때문에 ‘얼굴에 문신을 새긴다’라고 인식할 수 있다. 하지만 정확히는 다르다. 그리고 이번에 발표한 얼굴 전자문신의 경우, 간단하게 뗐다 붙일 수 있는 스티커형 센서 방식이다.

이는 지난 12월 소개됐던 두피 전자문신보다도 개선된 방식이다. ‘뇌파(EEG) 캡’이라 불리는 기존 두피 전자문신은 액체 성분의 잉크를 사용해 두피 표면에 ‘인쇄’하는 방식이었다. 액체 성분이라고 하지만 점성이 있는 젤 느낌이기 때문에 아무래도 피부에 닿는 느낌에 대해서는 호불호가 나뉠 가능성이 높다. 

또한, 측정한 정보 전달을 위해서는 전극 부분과 연결된 와이어(선)를 두피에서 목 언저리까지 인쇄해야 하며, 그 끝은 결국 전선과 연결해야 한다. 기존의 EEG 측정 방식에 비해서는 간편한 것이 사실이지만, 근본적인 불편함 문제를 해결하는 데는 여전히 한계가 있다.

텍사스 대학 오스틴 캠퍼스의 난슈 루(Nanshu Lu) 박사 연구팀은 이를 해결하기 위해 무선 기반의 부착식 무선 e-타투를 개발했다. 초경량의 배터리팩과 얇은 스티커형 센서를 통해 피부에 밀착시킬 수 있는 형태다. 피부 표면의 미세한 굴곡에도 영향을 받지 않도록 개인화된 형태로 제작할 수 있다는 것이 연구팀의 설명이다.

 

부착식 무선 e-타투의 활용

연구팀의 설명에 따르면, 이번에 개발된 부착식 무선 e타투는 이마 부위에 부착해서 사용할 수 있다. 이마에 부착하게 되면 뇌에서 발생하는 전기적 신호와 안구 움직임을 분석할 수 있다. 이를 통해 정신적인 과부하가 발생하고 있는지를 실시간으로 확인할 수 있는 방식이다.

이를 검증하기 위해 연구팀은 점진적으로 난이도가 높아지는 기억력 테스트를 설계했다. 6명의 참가자를 모집해 무선 e-타투를 부착한 상태에서 테스트를 진행하도록 했다. 난이도가 높아짐에 따라 참가자들의 세타파와 델타파 활동이 증가하고, 알파파와 베타파 활동이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 

세타파(Theta wave)는 약 4~8Hz의 대역폭을 가지며, 졸거나 명상을 할 때, 혹은 특정 인지 과제를  수행할 때 나타난다. 델타파(Delta wave)는 약 0.5~4Hz의 대역폭을 갖는 뇌파로, 보통은 깊은 수면 상태에서 나타나는 ‘서파(Slow wave)’에 해당하지만 극심한 인지적 노력을 필요로 할 때도 나타날 수 있다. 즉, 이 둘이 증가한다는 것은 뇌가 과도한 정보 처리를 하고 있음을 나타내는 지표로 볼 수 있다.

반면, 알파파(Alpha wave)는 약 8~13Hz의 대역폭을 갖는 뇌파로, 편안하고 이완됐지만 정신은 또렷하게 깨어있는 상태에서 나타난다. 가만히 앉아 눈을 감고 쉬고 있을 때가 대표적이다. 베타파(Beta wave)는 13~30Hz의 대역폭을 가지며, 문제 해결을 위한 집중, 경계와 같은 능동적 활동과 관련된다. 하지만 이들은 정신적으로 과부하 상태가 되면 오히려 감소하는 경향이 나타난다.

 

뇌파 기반의 AI 모델

위 결과를 종합하면, 부착식 무선 e-타투를 통한 뇌파 측정은 상당히 정확도가 높으며, 기존의 연구 결과와도 부합한다. 연구팀은 여기에 더해 측정한 뇌파를 토대로 정신적 과부하 수준을 추정할 수 있는 AI 모델을 선보였다. e-타투를 부착한 사람이 현재 정신적으로 과부하 상태에 있는지, 과부하 상태가 될 위험이 있는지 등을 예측할 수 있다는 것이다.

한편, 상대적으로 저렴한 가격도 장점이다. EEG 측정에 필요한 기존 장비는 통상 1만5천 달러(약 2천만 원)에 해당하는 고가다. 이에 비해 e-타투는 배터리를 포함해 200달러(약 28만 원), 1회용으로 쓰이는 센서는 약 20달러(약 2만8천 원)다. 여전히 부담없는 수준이라고 할 수는 없지만, ‘뇌파 측정 및 상태 분석’이라는 기능을 고려하면 한결 완화된 금액 수준이다.

다만, 부착식 무선 e-타투는 기존 부착식 기술과 동일한 한계를 가지고 있다. 바로 털이 없는 부위에만 부착할 수 있다는 것이다. 정확한 뇌파 측정을 위해서는 머리에 센서를 부착해야 하는데, 머리카락이 있는 상태에서는 부착식 무선 e-타투를 사용할 수 없다.

이에 연구팀은 기존에 선보였던 액체 잉크 e-타투 기술의 장점과 결합하는 방식을 연구하고 있다. 액체 잉크를 사용해 인쇄하는 e-타투를 무선 방식으로 활용할 수 있다면 더욱 포괄적인 뇌파 측정을 할 수 있게 된다. AI 기반의 소프트웨어와 페어링할 경우 가정에서도 자신의 뇌파 상태를 확인할 수 있는 가능성이 열린다.

이는 정신 노동을 주로 하는 전문직은 물론, 고도의 집중력을 요구하는 모든 현대인들에게 유용할 것으로 기대된다. 뇌파 상태 및 변화 추이가 의미하는 바를 교육하는 프로그램이 동반된다면, 개인이 스스로의 정신건강을 보다 효과적으로 관리할 수 있는 방법도 개발될 수 있을 것이다.

 

미국 연구팀이 치실을 통한 스트레스 측정 방법을 제시했다. 일회용으로 사용할 수 있도록 만들어진 치실 픽의 손잡이 부분에 타액(침) 성분을 분석할 수 있는 센서를 탑재한 방식이다.

 

스트레스 측정 및 모니터링 필요성

미국 터프츠 대학 연구팀이 최근 발표한 연구 사례에서는 센서를 내장시킨 치실 픽을 사용해 일상생활에서 겪는 스트레스 수준을 모니터링할 수 있다. 특히 스트레스 호르몬 중 하나인 코르티솔을 몇 분 사이에 정확도 높게 감지할 수 있는 것으로 확인됐다. 이 연구 결과는 미국 화학회(American Chemical Society)에서 발행하는 국제 학술지 <ACS Applied Materials & Interfaces>에 게재됐다.

잠깐동안 발생하는 짧은 스트레스는 건강에 긍정적인 작용을 할 수 있지만, 일정 시간 이상 유지되거나 지속적으로 반복될 경우는 여러 해로운 영향을 가져온다. 특히 만성적으로 이어지는 스트레스는 심혈관계 질환, 각종 대사 이상, 정신건강 문제 등으로 이어질 수 있다.

이 때문에 각종 스트레스 관리 기법을 널리 알리고 틈틈이 실천할 것을 강조한다. 또한, 스트레스로 인해 힘에 부칠 경우 지체없이 정신건강의학과 등 전문가를 찾으라고 조언한다. 

정신건강 문제로 병원을 찾는 것은 여전히 해소되지 않은 사회적 편견 외에도 현실적인 문제가 있다. 실질적으로 자신의 스트레스 상태를 확인하기 위해 병원을 자주 찾는 것이 쉽지 않다는 것이다. 게다가 병원이나 상담기관을 찾아 자가 보고 설문을 하더라도, 객관적인 진단에는 한계가 있다.

 

일상적 도구 ‘치실’에 센서 부착

터프츠 대학 연구팀은 이러한 이유로 개인이 스스로 스트레스 측정이 가능한 검사법을 개발하고자 했다. 연구팀이 내린 결론은 ‘타액’이었다. 스트레스 수준이 높아짐에 따라 체내 코르티솔 수치가 높아지기 때문에, 타액 성분을 분석해 혈중 코르티솔 농도를 확인할 수 있을 거라는 접근이다.

연구팀은 여기에 한 가지를 더 고려했다. 일반적으로 타액 검사를 위해서는 그에 합당한 기구가 필요하다. 어떤 형태로든 ‘검사를 해야 한다’라고 생각하면, 인간의 심리는 조금이라도 불안해질 수밖에 없다. 평상시 안정된 상태와는 스트레스 측정 결과가 다를 수밖에 없다는 것이다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 ‘일상적으로 사용하는 도구’를 활용하는 방법을 모색했다. 그 결과로 선택된 것이 바로 ‘치실 픽’이다. 치실을 편하게 사용할 수 있도록 출시되는 손잡이 달린 치실에, 타액의 성분을 분석할 수 있는 센서를 탑재하는 방식이다. 

치실을 사용하는 과정에서 실에 타액이 묻으면, 그것을 손잡이에 내장된 전기화학적 센서로 전달해 외부 기기로 신호를 보낸다. 이때 타액 내 코르티솔의 양에 따라 신호의 강도가 달라지는 방식이다. 기존 치실 픽과 마찬가지로 일회용이며, 사용하고 난 뒤에는 폐기된다.

 

스트레스 초기 징후까지 감지

연구팀의 테스트 결과, 이 장치는 약 10분이면 스트레스 측정 결과를 내놓을 수 있다. 코르티솔을 첨가한 인공 타액을 사용해 테스트한 결과, 스트레스의 초기 징후를 나타내는 수준의 미미한 변화도 감지해낼 수 있었다는 것이 연구팀의 설명이다. 

실제 사람의 타액 샘플을 사용한 실험 결과에서도 감지 성능은 비슷한 수준을 보였다. 코르티솔 수치를 측정하기 위해 일반적으로 사용되는 ‘ELISA 타액 검사(ELISA saliva test)’에 견줄 수 있는 성능이었다. ELISA 타액 검사는 ‘효소 결합 면역 흡착 분석법’이라는 의미로, 검사하고자 하는 샘플에 단백질이나 호르몬, 항체 등이 얼마나 존재하는지를 측정할 때 사용하는 기법이다.

연구팀은 이 장치가 현재까지 발표된 코르티솔 감지 센서 중에서도 우수한 성능을 가진 장치라고 자부했다. 향후 코르티솔 외에도 타액에 포함된 분자 중 임상·의료 연구 차원에서 중요한 것들을 감지할 수 있도록 잠재력을 확대해간다는 계획이다.

 

얼굴을 보고 건강상태를 짐작할 수 있다는 건 어느 정도 납득이 가능하다. 하지만 여기서 더 나아가, 얼굴 사진을 토대로 수명이나 생존 가능성까지 예측할 수 있다고 한다면 어떨까? 얼굴 나이로 건강 예측하는 인공지능(AI) 모델, 바로 ‘페이스 에이지(FaceAge)’가 지향하는 목표다.

 

얼굴 나이로 건강 예측하는 AI 모델

건강상태를 파악하고 질병 위험을 예측하는 데 있어 ‘생물학적 나이(Biological Age)’에 대한 관심이 높아지고 있다. 다양한 기술과 방법론에 대한 연구 결과가 축적되면서, 생물학적 나이의 활용 가능성과 신빙성 또한 상승세를 타고 있다. 즉, 실제 나이보다 ‘얼마나 나이가 들어 보이는지’에 대한 중요성이 강조되고 있는 셈이다.

미국 매사추세츠 종합병원 네트워크의 사람들로 구성된 연구팀은 얼굴 나이로 건강 예측을 할 수 있는 딥러닝 시스템 ‘FaceAge’ 모델을 개발하고 검증하는 연구를 수행했다. 연구팀은 공개돼 있는 데이터를 활용해, 별다른 건강 문제가 없는 60세 이상의 사람 약 5만9천여 명의 얼굴 사진을 확보하고, 딥러닝 기술과 안면 인식 기술을 활용해 알고리즘을 훈련시켰다. 

그런 다음, 약 6천2백여 명의 암 환자 코호트를 대상으로 훈련된 딥러닝 모델의 성능 평가를 진행했다. 사진 기반의 얼굴 나이로 건강 예측을 실시하고, 그들의 현재 상태와 예후 등 정보를 얼마나 정확하게 평가하는지를 테스트한 것이다.

 

‘얼굴 나이’ 많은 환자, 생존율 낮아

연구 결과에 따르면, 암을 앓고 있는 환자는 건강한 사람에 비해 더 나이가 들어보였다. 얼굴로 짐작할 수 있는 나이를 기준으로 할 때, 암 환자들은 실제보다 평균 약 5세 더 늙어보인다는 통계가 나왔다. 

전체 코호트 인원을 대상으로 했을 때, 얼굴 나이가 높게 나올수록 생존율이 낮았다. 얼굴 나이가 85세 이상으로 보이는 환자의 경우, 실제 나이와 성별, 암 유형 등 변수가 될 수 있는 요인을 보정한 후에도 생존율이 뚜렷하게 낮았다.

연구팀은 이 결과를 실제 전문가들의 견해와 비교해보고자 했다. 연구팀은 총 10명의 임상의와 의학 연구자들에게, 방사선 치료를 받고 있는 환자 사진 100장을 보고 ‘단기 기대수명’을 예측해달라고 요청했다. 그간의 경험을 바탕으로 환자의 예상 생존 기간에 대한 의견을 물은 것이다.

의사와 연구자들의 예측 답변은 저마다 상당한 차이를 보였다. 환자에 대한 임상정보를 제공했음에도, 정확도가 그리 높지는 않았다. 그러나, ‘FaceAge’를 통해 얼굴 나이로 건강 예측한 정보를 제공했을 때, 의사와 연구자들의 예측 정확도는 상당히 높아졌다. 연구팀은 현지 시각 8일 이러한 결과를 종합해 <랜싯 디지털 헬스(Lancet Digital Health)>에 논문을 발표했다.

 

‘개인의 노화 과정’ 예측에 기여

외래 진료 또는 회진을 통해 환자를 만날 때, 의사들은 가장 먼저 환자의 외모를 보게 된다. 이를 바탕으로 어느 정도 건강상태 또는 에너지 수준 등에 대한 기초적인 단서를 얻을 수도 있다. 여기에 환자와의 문진을 비롯해 기타 검사 결과 등을 종합해 병을 진단하고 치료 방향을 결정하는 것이다.

하지만, 의사라고 해서 생김새만으로 환자의 나이를 정확히 예측할 수는 없다. 오히려 생김새를 보고 섣불리 나이를 예측할 경우, 환자에 대한 편견이 생길 우려가 있다. 이런 점에서 FaceAge를 통해 제공되는 ‘얼굴 나이 정보’는 여러 모로 유용할 수 있다.

물론, 이 기술을 실제 임상 환경에 적용하기는 아직 부족하다. 연구팀은 현재 질병 여부, 전반적인 건강상태, 그리고 더 나아가 ‘기대 수명’까지 예측하는 데 이 기술을 활용할 수 있을 것으로 보고 있다. 이를 위해 더 많은 병원들과 협력해 보다 큰 규모의 연구를 진행한다는 계획이다.

암의 종류, 각각의 단계에 있는 환자들을 살펴보고, 시간이 경과함에 따라 FaceAge의 측정 결과가 어떻게 달라지는지를 추적할 필요가 있다. 또한, 화장이나 각종 시술, 성형수술 등으로 본래의 자연적인 생김새가 달라질 수 있으므로, 이러한 경우에 해당하는 데이터 세트를 통해 정확도를 보완할 필요도 있다.

연구팀의 공동 선임 저자인 레이 맥 박사는 “다양한 만성질환을 노화와 연관짓는 경향이 커지면서, 개인의 노화 과정을 보다 정확하게 예측하는 것이 중요해지고 있다”라며 “얼굴 나이를 측정하는 기술을 적절한 규제 및 윤리적 틀 안에서 조기 진단 시스템으로 활용할 수 있기를 바란다”라는 입장을 전했다.

 

카이스트(KAIST) 연구진이 혈압의 정확한 연속 측정이 가능한 모니터링 기술을 개발했다. 기존에 사용되던 혈압 측정 방식의 단점들을 보완해, 상황에 맞게 더욱 정확한 측정이 가능하게끔 한 것이 특징이다. 이번 연구 결과는 국제 학술지 <어드밴스드 사이언스(Advanced Science)>에 지난 4월 25일 게재됐다.

 

기존 혈압 측정 방식과 한계

일반적으로 혈압 측정 하면 떠올리는 방식은 ‘커프(cuff)’다. 팔에 커프를 감고 기기를 작동시키면 공기주머니(bladder)가 부풀면서 일시적으로 혈액 흐름을 막는다. 잠시 후 압력이 풀리면서 막혔던 혈액이 다시 흐르기 시작할 때 그 압력을 측정하는 원리다.

커프 방식은 사용돼 온 역사가 길고, 정확도가 높다는 장점이 있다. 다만 잠깐이라 하더라도 팔을 강하게 압박하는 데서 불편함이나 통증을 느낄 수 있다. 또한, 익히 알고 있다시피 측정에 임하기 전 약 10분 가량 안정 상태를 유지할 필요가 있었다. 그리 긴 시간은 아니지만 시간이 촉박할 때는 이마저도 부담이 될 수 있고, 사람에 따라 10분 넘는 시간이 필요한 경우도 있었다.

최근에는 스마트워치를 사용해 혈압을 측정할 수 있다. 이는 광혈류측정(Photoplethysmography, PPG) 센서를 활용해 피부 아래 혈관을 모니터링하는 방식이다. 혈관을 통과하는 빛의 양을 기반으로 혈류량 및 혈압 변화를 추정하는 방식으로, 상당히 높은 수준의 정확도를 보인 바 있다.

스마트워치의 측정 방식은 커프 방식처럼 압박을 하지 않기 때문에 편리한 것이 사실이다. 하지만 착용 위치, 피부 밀착도, 사용자 움직임 등에 따라 측정 정확도가 달라질 수 있다는 한계가 있다. 특히 고혈압 증상이 있거나 운동 중 혈압 측정의 정확도가 떨어질 수 있다는 점이 단점으로 지적됐다. 또한, 실시간 연속 측정이 어렵다는 한계점도 있었다.

 

운동 중 혈압 측정, 연속적으로 가능

카이스트 바이오및뇌공학과 정기훈 교수 연구팀은 ‘초분광 PPG’ 기술을 활용해 기존 스마트워치의 측정상 한계를 보완하고자 했다. 초분광 PPG는 수십 개의 세분화된 파장의 빛을 사용해, 혈관 내 혈류 변화를 광학적으로 측정하는 방법이다. 

스마트워치의 최근 모델에 탑재된 PPG 센서는 ‘3가지 파장’을 활용해 혈압을 측정한다. 카이스트 연구팀이 개발한 모델은 여기에서 더 나아가 더욱 세분화된 파장을 활용한다. 초분광 PPG 모듈을 통해 다양한 파장의 PPG 신호를 동시 측정할 수 있으며, 정밀한 시간차 계산이 가능해 연속적이면서도 안정적으로 혈압을 추정할 수 있다.

연구팀의 설명에 따르면, 혈압 모니터링 외에도 심박수, 호흡률과 같은 다른 생리적 매개변수도 동시 측정할 수 있다. 이는 운동 전후의 혈압 변화를 보다 세밀하게 측정·분석할 수 있음을 시사한다.

한편, 운동 중 혈압 측정도 연속적으로 추적이 가능하다. 이는 즉, 운동으로 인해 고혈압이 유발되는 것을 감지할 수 있다는 의미다. 기존 방식을 사용할 때는 운동 중 혈압 측정 정확도가 0.75 정도였으나, 새롭게 개발한 방식으로는 운동 중 혈압 측정 정확도가 0.95로 나왔다. 

카이스트 정기훈 교수는 “이번 연구는 운동 중 측정된 고혈압 실험을 통해 얻은 새로운 데이터를 기반으로 하며, 웨어러블 초분광 PPG 센서의 중요성과 가능성을 증명한 사례에 해당한다”라며 “초분광 PPG 기술은 향후 개인맞춤형 디지털 헬스케어 분야에 크게 기여할 것”이라고 이야기했다.

 

매사추세츠 공과대학(MIT) 연구팀이 손목시계 형태의 의료 모니터링 장치 '서크트렉(CircTrek)'을 개발해 선보였다. 이 장치를 한 마디로 요약하자면 ‘웨어러블 혈액 검사 기기’라 할 수 있다. 혈관 내부의 단일 세포까지 감지할 수 있을 만큼 정밀·민감하면서도 손목에 착용할 수 있을 만큼 작은 크기의 비침습적 의료기기다. 

이 웨어러블 장치의 중요한 특징 중 하나는 '인체 내 순환 세포를 지속적으로 모니터링할 수 있다'는 것이다. 웨어러블 혈액 검사 기기라고 표현한 것은, 혈액 채취 없이 비침습적으로 혈류 속 혈액 상태를 평가할 수 있기 때문이다. 이 기술은 <네이처(Nature)>의 파트너 저널 중 하나인 <NPJ 바이오센싱(NPJ Biosensing)> 에 게재됐다.

 

실시간 웨어러블 혈액 검사 기기

'서크트렉(CircTrek)'은 MIT 미디어랩 조교수인 데블리나 사르카르 박사 연구팀이 개발했다. 사르카르 박사는 AT&T 경력 개발 의장이자 나노-사이버네틱 바이오트렉 연구 그룹을 이끌고 있다. CircTrek은 질병의 조기 진단, 질병 재발 감지, 감염 위험 평가, 질병 치료의 효과 여부 판단 등 여러 의료 과정에 큰 도움을 줄 수 있을 것으로 기대된다.

연구팀의 설명에 따르면, 기존의 혈액 검사는 환자 상태를 '스냅샷'처럼 보여준다는 한계가 있다. 즉, 검사를 실시한 그 순간의 정보만을 보여준다는 뜻이다. 이에 비해 CircTrek은 웨어러블 혈액 검사 기기로서 착용자의 상태를 실시간으로 계속 확인할 수 있도록 하는 데 초점을 두었다. 

연구팀은 제출한 논문을 통해 "이전까지는 해결되지 않았던 중요한 과제"라고 언급했다. 기존의 기술 중 비교할 만한 것으로는 '유세포 분석법(Flow Cytometry)'이 있다. 이는 개별 세포를 빠르게 분석하는 기술로, 이를 활용하면 혈류 내 세포의 연속적 모니터링이 어느 정도 가능하다. 

하지만 연구팀 소속의 박사 과정생 장규호 연구원의 설명에 따르면, 유세포 분석을 위해서는 연구실 규모의 장비가 필요하다. 또한, 대상자로부터 혈액 샘플을 얻어서 측정하는 방식이므로, 대상자가 현장에 있는 동안만 모니터링이 가능하다는 한계가 있다. 

CircTrek은 '온보드 Wi-Fi 모듈'을 장착해 이 문제를 해결했다. 즉, 와이파이에 연결할 수 있는 환경이라면 환자는 어디서든 혈류 순환 세포를 모니터링할 수 있고, 해당 정보를 담당 의사나 치료팀에 전송할 수도 있다. 

지속적인 모니터링이 가능하기 때문에 실시간으로 데이터를 얻을 수 있으며, 휴대성을 기반으로 언제 어디서든 빠르게 공유할 수 있다는 것이 CircTrek의 가장 두드러지는 장점이다. 이를 바탕으로 중요한 시기에 곧바로 임상적 결정을 내릴 수 있다는 것이 사르카르 박사의 말이다.

 

치료 반응 및 진단 평가 개선 기대

웨어러블 혈액 검사 기기로 작동하기 위해 CircTrek은 특별하게 설계된 레이저 빛을 활용한다. 피부 아래 형광 물질로 표시된 특정 세포에 레이저 빔을 집중해서 쬐면, 해당 세포들이 빛을 내는 원리를 활용한다. 

세포에 형광 표시를 하는 방법은 두 가지로 나뉜다. 하나는 항체 단백질에 형광 염료를 붙여 세포에 적용하는 방법이고, 다른 하나는 세포가 스스로 빛을 내도록 유전자를 변형하는 것이다. 

예를 들어, 항암 치료 방법 중 하나인 CAR-T세포 치료를 받는 경우, 해당 세포에 형광 염료를 붙이거나 유전자 변형을 적용함으로써 세포가 형광 단백질을 발현하도록 할 수 있다는 설명이다. 연구팀은 이밖에도 여러 방법으로 세포의 형광 표지가 가능할 것으로 보고 있다.

CircTrek을 활용하면, 형광 표지된 CAR-T세포를 검출함으로써 세포 치료의 효과를 평가할 수 있다. 예를 들어, 치료 후 혈액 내 CAR-T세포가 지속적으로 발견된다면, 환자의 치료 반응이 좋다고 평가할 수 있는 식이다. 

물론, 실제 정확한 예후 판단을 위해서는 다른 임상 요소까지 종합적으로 살펴봐야 한다. 하지만 CircTrek을 통해 실시간 모니터링 정보를 수집할 수 있다면, 진단 및 평가에 있어 중요한 데이터를 보다 빠르게 확인할 수 있다는 점에서 잠재력은 충분하다고 할 수 있다.

 

피부 안전성 검증 완료, 상용화 추진

장규호 연구원의 설명에 따르면, 부품 최적화 과정을 거듭해 노이즈를 크게 줄였으며, 최종적으로 형광 세포가 보내는 신호만 포착할 수 있도록 하는 데 성공했다. CircTrek에서 형광 신호를 감지하는 센서 역시 매우 작은 크기지만, '단일 광자'에 해당하는 정도의 빛도 감지할 수 있을 만큼 센서 감도가 높다는 설명이다.

레이저 드라이버와 노이즈 필터를 포함한 CircTrek의 서브서킷은 42mm x 35mm 크기의 회로 기판에 맞춰 설계됐다. 이를 통해 CircTrek은 최종적으로 스마트워치와 거의 비슷한 크기로 완성됐다.

피부 아래 혈류를 감지하는 것의 안전성에 대한 테스트도 마쳤다. CircTrek을 사용하면 피부 표면의 온도가 약 1.51℃ 가량 상승하는 것으로 나타나, 피부에 별다른 영향을 주지 않는 것으로 확인됐다.

물론, CircTrek을 상용화하기까지는 추가적으로 거쳐야 할 절차가 많다. 하지만 장규호 연구원은 "매개변수를 수정함으로써 잠재력을 확대할 수 있다"라고 이야기하며, "CirkTrek을 일상적으로 활용할 수 있게 되면, 임상 의료진들이 환자에 대한 중요한 정보를 정확하고 빠르게 얻을 수 있을 것"이라고 덧붙였다.

 

인체 내에 자연스럽게 존재하는 조효소 ‘플라빈(Flavin)’을 활용해 ‘근적외선 발광’을 구현하는 기술이 개발됐다. 이는 기존의 적외선 발광 물질과 비교했을 때 생체 친화적이고 안정성이 높다는 특성을 갖는다. 의료 진단과 치료, 그 외 생명과학 분야에서 근적외선 활용 가능성이 더욱 확대될 것으로 기대된다. 연구 결과는 <네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)>에 지난 15일(화) 게재됐다.

 

자연적 형광 분자 ‘플라빈’

플라빈은 인체의 에너지 대사 과정에서 중요한 역할을 하는 조효소(Coenzyme)의 일종으로, 비타민 B2(리보플라빈)에서 유래한 분자다. 여러 효소가 활발하게 작용할 수 있도록 돕는 보조 인자 역할을 하며, 지방산 산화, 아미노산 대사, 산화 스트레스 방어 등 생화학적으로 중요한 여러 경로에 관여한다.

플라빈은 이밖에 ‘형광 분자’로서의 특성도 가지고 있다. 자연적으로 빛을 흡수하고 특정 파장의 형광을 방출하기 때문에, 효소 및 단백질 연구에서 ‘표지자(probe)’로 활용돼 왔다. 예를 들어, 형광 신호를 발산함으로써 플라빈이 관여하는 효소의 활성 또는 위치 변화 등을 관찰할 수 있다는 것이다.

다만, 플라빈은 자연 상태에서 대부분 파란색부터 초록색 정도에 해당하는 짧은 파장의 빛을 낸다. 생물학적 센서로서는 유용하지만, 의료 진단과 같은 실용적 응용 분야에서는 다소 부족함이 있다. 짧은 파장의 빛은 조직 깊숙이 침투하기 어렵기 때문이다.

 

플라빈 파장, 근적외선까지 확장

카이스트(KAIST) 화학과 백윤정 교수 연구팀은 최근 이러한 플라빈 분자의 한계를 극복하는 연구 결과를 내놓았다. 플라빈 분자의 구조를 인위적으로 조절함으로써, 플라빈이 내뿜는 형광 파장을 기존 청색광~녹색광 영역에서 근적외선 영역까지 확장하는 데 성공한 것이다. 이는 근적외선 활용이 가능한 영역을 더욱 넓힐 수 있다는 가능성을 보여준다.

근적외선은 비교적 파장이 긴 광선으로 꼽힌다. 파장이 길고 에너지량이 낮아 인체 조직 깊숙한 곳까지 닿을 수 있으면서도 조직 손상을 최소화한다. 이 때문에 의료 영상이나 진단, 치료 등 다양한 영역에서 근적외선 활용 가능성은 주목도가 높다.

백윤정 교수 연구팀은 본래 3개의 고리를 갖는 플라빈의 핵심 구조를 5개의 고리로 확장했다. 여기에 산소(O)와 황(S) 같은 이종 원자를 정교하게 도입함으로써 분자의 전자 구조를 정밀하게 조절하는 새로운 합성 전략을 제시했다.

검증 결과, 황(S) 원자가 포함된 플라빈 구조체는 약 772㎚ 가량의 근적외선 영역에서도 빛을 내뿜는 것으로 확인됐다. 이는 현재까지 보고된 플라빈 유도체 중 가장 파장이 긴 사례다.  

한편, 황을 포함한 플라빈 구조체는 ‘준가역적 산화 특성’을 보이는 것으로 확인됐다. 이는 산화-환원을 여러 번 반복할 수 있다는 뜻이다. 가장 간단한 예를 들자면, 체내에서 이루어지는 항산화 작용의 효율성과 지속성을 높이는 데 기여할 수 있다.

연구팀은 플라빈의 분자 구조를 미세하게 조절함으로써, 빛을 어떻게 흡수하고 방출할지를 원하는 대로 설계할 수 있음을 입증했다. 

 

근적외선 활용 가능성 더 넓어져

근적외선은 인체 조직 투과력이 높기 때문에, 피부 아래 깊은 조직까지 도달할 수 있다. 플라빈 분자 구조를 변형해 근적외선 형광 프로브를 제작함으로써, 체내 깊숙한 곳에 위치한 염증 부위나 암 등의 이상 조직을 비침습적으로 관찰할 수 있다. 이는 질병의 조기 진단부터 수술 중 병변 확인에도 근적외선 활용이 가능하다는 의미다.

‘비침습적 모니터링 가능’이라는 특성은 이밖에도 여러 방면에서 응용 가능성을 가진다. 근적외선 발광 특성을 활용해, 체내 산소 포화도, 혈류량, 대사 상태와 같은 생체 내 변화를 실시간으로 정확하게 감지할 수 있을 것이다. 

한편, 건강과 관련해 식품 내 유해 성분을 탐지하는 데도 응용할 수 있다. 손상을 일으키지 않고 성분 구조 등에 관해 필요한 정보를 얻는다는 측면에서 보면, 산업계에서 활용되는 ‘비파괴 검사’와 유사하다고 볼 수 있다.

이밖에 기존에 존재하는 적외선·근적외선 치료 기술의 발전에도 기여할 수 있을 것이다. 플라빈은 비타민 B2의 핵심 성분이기 때문에, 인체에 대한 독성이 매우 낮다. 플라빈을 광감각제로 사용할 경우, 인공적인 물질에 비해 부작용 위험을 한층 더 낮출 수 있다는 의미다.

카이스트 백윤정 교수는 “우리가 원하는 상황에 맞게 빛을 자유롭게 설계하고 활용할 수 있다는 뜻”이라며 “앞으로 우리 손으로 원하는 색과 성질을 가진 분자를 정밀하게 설계하고 만들어낼 수 있다는 가능성을 보여준 것”이라고 설명했다.