[바이오타임즈] 하지의 말초동맥질환(PAD)은 관상동맥 질환 및 뇌졸중에 이어 세 번째로 흔한 죽상경화성 혈관 질환이다.

죽상경화증은 혈관에 혈전이라는 것이 달라붙어서 혈액의 흐름이 원활하지 않게 되는 것을 말하며, 이것이 딱딱해지면 동백경화증이라 한다. 죽상경화증과 동백경화증을 합쳐 말초동맥질환이라 하며, 당뇨병이 있는 사람들이나 고혈압, 고지혈증, 흡연 등이 위험인자로 꼽힌다.

전 세계에 2억 5,000여 명에 달하는 하지 말초동맥질환 환자가 있는데, 하지 말초동맥질환은 심혈관 위험을 최대 3배 증가시키며 심한 경우 사지를 절단할 수 있다.

PAD에 의한 혈류 장애는 간헐적 파행 및 운동성 통증과 같은 허혈성 증상을 유발하지만, 경증 또는 만성 PAD를 가진 대부분의 환자는 질병의 발생이나 진행을 인지할 수 있는 임상 증상을 나타내지 않는다.

지금까지 pH 변화를 모니터링하면 저산소증이 혐기성 해당작용을 촉진하여 젖산증을 유발하기 때문에 허혈성 손상으로 인한 조직 손상을 적절히 반영할 수 있다. 그러나 피부의 pH 기록은 땀, 물, 화장품 등의 오염물질로 인해 부정확하다는 단점이 있다.

따라서 PAD 질환의 정확한 평가를 위해서는 광범위한 영역에 걸쳐 피부 산도를 직접 측정하는 것이 중요한데, 국내 연구진이 웨어러블 마이크로니들 센서를 이용해 말초동맥질환 모델의 pH 분포도(산성, 알칼리성의 정도)를 정확하게 측정하는 방법을 개발했다.
 

◇KAIST-KIST 공동연구진, 웨어러블 마이크로니들 센서 플랫폼 기술 개발

KAIS 웨어러블 플랫폼소재 기술센터 배병수 교수(교신저자)는 KIST 이원령 박사(제1 저자, 교신저자), 서울대학교병원 정승환 박사(공동 제1 저자)와 공동으로 유연한 기판상에 기계적으로 안정적인 마이크로니들을 접합해 말초동맥질환 진단에 응용할 수 있는 메디컬 센서 플랫폼 기술을 개발했다고 1일 밝혔다.

연구팀은 이번 기술을 통해 일반적인 웨어러블 진단 기기의 한계점이던 바이오 체액의 접근 제한성을 마이크로니들을 이용해 최소 침습으로 해결했고, 이는 생화학적 질병 진단을 가능하게 했다.

이번 연구 결과는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 온라인으로 출시됐다(논문명: Conformable Microneedle pH Sensors via the Integration of two Different Siloxane Polymers for Mapping Peripheral Artery Disease).
 

◇웨어러블 진단 기기의 한계점이던 바이오 체액의 접근 제한성을 마이크로니들로 해결

공동연구팀은 PAD 질병의 pH 분포를 측정하기 위해 진단 도구에 대한 두 가지 사양이 필요하다고 봤다. 우선 피부에 침투시키고 이를 피부의 넓은 곡면 영역에 부드럽게 접촉시킬 수 있어야 한다는 것이다. 이를 위해 생체 곡면에 접합 가능한 연질 기판(PDMS) 위에 경도가 높은 실록산폴리머를 접합시킨 웨어러블 마이크로니들용 하이브리드 기판을 만들었다.

웨어러블 진단 기기는 부드러운 기판 소재 위에 얇은 막 형태의 센서를 제작해 생체 전기신호(심전도, 근전도, 뇌파 등)와 생화학 신호(포도당, 젖산, pH 등)를 측정해 심장질환, 뇌 질환, 당뇨병, 대사질환 등 다양한 질병의 진단에 활용이 기대되어 의료기기용 소자로서 주목받고 있다. 하지만, 접근할 수 있는 체액이 땀, 눈물 등으로 제한됨에 따라 상시 모니터링에 대한 제한점이 있었다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 자체적으로 개발한 솔-젤(Sol-Gel) 합성공정을 통해 만들어진 실록산(Si-O-Si) 골조 기반의 폴리머를 마이크로니들 소재로 활용해 웨어러블 디바이스 플랫폼에 적용하고, 마이크로니들을 통해 상시 체액 모니터링이 가능한 웨어러블 마이크로니들 생화학 센싱 플랫폼을 완성했다.

그리고 웨어러블 마이크로니들 생화학센싱 플랫폼의 유용성을 보여주기 위해 마이크로니들에 pH에 대해 표면에너지의 변화를 보이는 폴리어날린을 증착해 독립적인 pH 센서 어레이로 응용 가능한 것을 보였다.

폴리어날린을 이용한 마이크로니들 pH 센서는, 돼지 피부 1,000번 삽입 실험, 1.5mm의 굽힘 변형 실험 후에도 80% 이상의 센서 감도를 유지하는 높은 기계적 안정성을 보여주었다.

이후 연구팀은 웨어러블 마이크로니들 pH 센서의 생체의학적 적용 가능성을 검증하기 위해 말초동맥 질환(PAD)의 쥐 모델에서 진피 pH를 기록하는 데 사용했다. 경증 또는 만성 말초동맥질환이 있는 환자 대부분은 질병의 발생이나 진행을 인지할 수 있는 임상 증상을 나타내지 않는다. 그러나 pH 변화를 모니터링하면 저산소증으로 인한 젖산증을 감지할 수 있고, 결과적으로 허혈성 손상으로 인한 조직 손상을 적절히 감지할 수 있기 때문이다.

쥐 모델에서 PAD를 모방하기 위해 대퇴 동맥을 선택적으로 결찰하고 영향을 받은 하지의 pH 변화를 수술 1주일 후 측정했다. 놀랍게도 웨어러블 마이크로니들 pH 센서는 PAD 모델에서 허벅지에서 회음부까지 하지의 점진적인 pH 변화를 보인 반면, 대조군 모델은 측정된 영역에서 일정한 pH 분포를 나타냈다. 산도는 근위 영역보다 원위 영역에서 더 높았으며, 이는 폐쇄성 병변으로부터 원위 거리가 증가함에 따라 허혈성 조직의 손상이 더 심각함을 나타낸다.

마이크로니들이 없는 웨어러블 pH 센서도 PAD 쥐의 산도 변화를 반영했지만 기존 장치는 마이크로니들 센서만큼 민감하지 않았다. 따라서 이번에 개발한 센서는 피부 아래 웨어러블 디바이스의 생화학적 분포 분석 기술에 보편적으로 적용할 수 있다고 볼 수 있다.
 

◇말초동맥질환, 당뇨병, 대사질환 등에 생화학 진단을 하는 웨어러블 디바이스로 활용될 것

연구를 주도한 배병수 교수는 “딱딱한 마이크로니들을 부드러운 유연한 기재에 접합시킨 질병 진단 마이크로 니들 필름을 피부에 부착해서 말초동맥질환은 물론 당뇨병, 대사질환 등에 생화학 진단을 하는 웨어러블 디바이스로 활용될 수 있을 것으로 기대된다”라고 설명했다.

이 연구를 통해 서로 다른 물성을 지닌 두 물질을 기계적으로 안정되게 통합한 세계 최초의 웨어러블 마이크로니들 제작 기술 확보가 가능케 할 것으로 기대된다. 아울러 국소 부위에서의 체내 생화학 신호를 장기간 안정적으로 측정할 수 있는 최소 침습형 생화학 센서 제작 기술 확보도 가능할 것으로 보인다.

마이크로니들 생화학 센서는 만성적인 질병을 가진 환자들에 대한 신뢰할 수 있는 임상 데이터를 제공하고, 각 환자에게 통증이나 불편함 없이 질환을 모니터링하고 시기적절한 치료를 가능케 할 것으로 기대된다.

[바이오타임즈=정민아 기자] news@biotimes.co.kr

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