- 나노 기술 수준의 발전으로 복잡한 의료용 나노 로봇 등장도 멀지않다
[뉴스워커 창간특집_나노기술을 말하다⑤] 2019년 11월 한국마이크로의료로봇연구원 ‘최은표’ 연구팀은 고형암의 진단과 치료가 동시에 가능한 다기능성 의료용 나노 로봇 개발에 성공했다고 밝혔다.
◆ 다기능성 의료용 나노 로봇 개발
암은 크게 혈액암과 고형암으로 나눌 수 있으며 ‘혈액암’은 환자의 전신을 통해 흐르는 혈액과 림프계에 발생하는 암으로 백혈병이 대표적인데 반해서 ‘고형암’은 암세포가 성장하여 덩어리를 이루는 암으로 폐암, 간암, 유방암 등 대부분의 암이 이에 속한다.
혈액암은 혈액 등에 발생하는 암이므로 환자 신체의 특정 부분에 암이 발생하는 것이 아니기 때문에 수술과 같은 치료방법을 사용하기는 어렵고 약물투여와 같은 화학적 방법이나 방사선 치료 등과 같은 치료방법을 사용한다.
반면 고형암은 환자 신체의 특정 부분에 암이 발생하므로 화학적 요법이나 방사선 치료 등을 사용할 수 있는 것에 더해 수술을 통해 암을 절제하는 것이 가능하다.
이번에 연구팀이 개발한 나노 로봇의 크기는 100nm(나노미터) 내외로 10~20nm 크기의 나노 자석 입자와 금 입자를 결합하는 방식으로 제작되었으며, 나노 로봇에 엽산을 연결하여 암 진단 기능을 갖춘 것으로 평가된다.
정상세포에는 엽산과 반응하는 엽산 수용체가 매우 적거나 거의 존재하지 않는 반면 암세포와 배아 발달에 관여하는 세포의 경우 엽산 수용체가 고도로 발달된 특징이 있는 것으로 알려져 있다.
따라서 나노 로봇에 엽산을 연결할 경우 암세포에 많이 분포되어 있는 ‘엽산 수용체’와 나노 로봇에 연결된 ‘엽산’이 반응하여 일종의 바이오마커로 기능하기 때문에 환자가 암에 걸렸는지 여부를 진단할 수 있는 것이다.
한편 개발된 나노 로봇은 암세포에 열과 약물을 전달하여 병증을 치료하는 기능도 갖추었다.
나노 로봇은 나노 자석 입자를 재료로 사용했기 때문에, 컴퓨터단층촬영(CT)이나 자기공명영상(MRI) 장비를 이용하여 로봇의 위치를 실시간으로 파악할 수 있으며 외부에서 자기장을 가하여 의료진이 원하는 곳으로 로봇을 이동시킬 수 있다.
나노 로봇을 의료진이 원하는 곳으로 이동시킬 수 있는 기능은 고형암 치료에 있어서 의료진에게 이점을 제공할 수 있다는 평가가 나온다.
간암, 폐암 등과 같이 신체 특정한 부분에 발병하는 고형암은 일반적인 주사기로 약물 주입을 할 경우 약물이 암 조직에만 주입되는 것이 아니라 몸 전체로 확산하므로 높은 농도의 약물을 주입할 필요가 있어 부작용이 우려되거나 높은 치료효과를 기대하기 어렵다.
그러나 의료진이 원하는 곳으로 이동시킬 수 있는 나노 로봇은 약물 등을 암 조직에 집중적으로 주입할 수 있어 부작용 우려도 적고 높은 치료효과를 기대할 수 있는 것이다.
한편 연구팀은 나노 로봇에 ‘폴리도파민’이라는 물질을 코팅하여 약물 치료 외에도 열 치료 또한 병용할 수 있는 것으로 알려졌다.
폴리도파민은 근적외선 등의 빛을 받으면 열을 내는 특징을 가지고 있는데 나노 로봇에는 폴리도파민이 코팅되어 있으므로, 의료진이 외부에서 근적외선을 쬘 경우 나노 로봇은 암 조직에 열을 방출하여 치료행위를 수행하게 되는 것이다.
연구팀이 간암에 걸린 쥐를 대상으로 성능을 검증한 결과 나노 로봇은 암 조직 근처까지 이동하여 치료제인 ‘독소루빈’을 암 조직에 전달하는 약물 치료와 함께 열 치료도 병용하는 것에 성공했다.
게다가 기존 일반 주사기로 약물을 주입하는 것 보다 훨씬 높은 70%대의 비율로 원하는 부위에 약물을 전달한 것으로 알려졌다.
그러나 현재 의료용 나노 로봇의 개발단계는 원천기술 혹은 개념증명 단계로 상용화까지는 후속 연구와 다소의 시간이 필요할 것으로 평가받고 있다.
관련 연구는 국제학술지인 ‘Nano Letters(나노 레터스)’ 2019년 11월자 온라인에 게재됐다.
◆ 치아 플라크(dental plaque) 제거하는 나노 로봇
2019년 4월 미국 펜실베이니아 대학교의 ‘현 미셸 구(Hyun Michel Koo)’ 치의학 교수와 ‘에드워드 스티거(Edward Steager)’ 공학 및 응용과학 교수 연구팀은 ‘치아 플라크’를 제거하는 나노 로봇을 개발하는데 성공했다.
치아 플라크는 치태라고 불리기도 하는데 치아 표면에 형성되는 투명한 세균 막으로서, 방치할 경우 딱딱한 치석으로 발전하기도 하며 치주염을 일으키는 주요 원인으로 평가된다.
치아 플라크를 제거하기 위해서는 적절한 양치질과 치실을 이용하여 구강위생을 철저히 하는 것이 제일 좋은 방법이며 치석으로 발전된 경우에는 스케일링을 통한 제거법이 권유된다.
연구팀이 개발한 나노 로봇에는 철(Fe) 성분이 포함된 산화철 나노 입자가 사용되었기 때문에 외부에서 자기장을 이용하여 나노 로봇을 원하는 대로 움직이는 것이 가능하다.
연구팀에 따르면 나노 로봇을 만드는 방식에는 두 가지가 존재하는데 첫째는 용액 속에 산화철 나노 입자를 현탁하는 방식이고 두 번째는 젤 형태의 틀에 나노 입자를 주입하는 방식으로 어느 방식이던지 살균과 플라크 제거 효과가 뛰어난 것으로 알려졌다.
특히 나노 로봇을 이용하는 경우 치아 표면에 존재하는 플라크뿐만 아니라 치아 사이에 존재하는 플라크를 제거하는 것에도 높은 효과를 기대할 수 있다고 연구팀은 설명했다.
관련 연구결과는 ‘Science Robotics(사이언스 로보틱스)’에 게재됐다.
아직까지는 자기장과 같은 물리학적 혹은 화학적 반응을 이용하여 다소 단순한 수준에서 움직임을 제어하는 나노 로봇만 가능하나, 나노 기술의 발전 속도가 빨라 복잡하며 정밀한 움직임을 구현할 수 있는 나로 로봇의 등장도 그리 멀지 않은 미래에 실현될 수 있을 것이란 전망이 나온다.