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체내 원하는 곳 콕 집어 줄기세포 운반하는 마이크로로봇

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체내 원하는 곳 콕 집어 줄기세포 운반하는 마이크로로봇

2019.06.10 06:00
연구팀이 개발한 마이크로로봇의 모형. 구형(왼쪽)과 나선형 두 가지가 있다. DGIST 제공
연구팀이 개발한 마이크로로봇의 모형. 구형(왼쪽)과 나선형 두 가지가 있다. DGIST 제공

질병을 치료하는 약물의 효과를 극대화하려면 체내에서 약물 방출 속도를 조절하거나 정확한 목표 부위에 약물을 전달하는 ‘약물 전달 시스템’이 필요하다. 체내에 들어갈 수 있는 나노(㎚·1나노미터는 10억분의 1미터) 규모의 로봇에 약물을 코팅한 뒤 특정 조건에서 방출하는 전략이 주로 쓰인다. 그러나 외부에서 배양한 줄기세포를 로봇에 올려 원하는 조직에 정확하게 전달하는 것은 기술적으로 쉽지 않다. 


최홍수 대구경북과학기술원(DGIST) 로봇과학과 교수와 유성운 DGIST 뇌인지과학과 교수 공동연구팀은 김성원 서울성모병원 교수, 브래들리 넬슨(Bradley J. Nelson) 스위스취리히연방공대(ETH) 교수와 공동연구를 통해 줄기세포와 암세포를 살아있는 동물 복강 내에 정확하게 주입해 전달하는 데 성공하고 연구결과를 국제학술지 ‘사이언스 로보틱스’ 5월 29일자(현지시각)에 발표했다. 기존 약물전달시스템의 한계를 뛰어넘어 암이나 알츠하이머 치매와 같은 퇴행성 뇌질환에 이르기까지 줄기세포 치료제 효과를 극대화하는 데 활용될 것으로 기대된다. 


연구진이 개발한 마이크로봇의 직경은 80마이크로미터(㎛, 100만분의 1미터)로 머리카락 굵기 정도다. 이른바 ‘회전 자기장’을 통해 줄기세포를 생체 내에서 이동시켜 특정 부위에 착상, 원하는 세포로 분화시키는 데 이상적인 시스템이다. 3D 레이저로 인쇄조립하는 방식으로 설계됐으며 자기장을 발생시키는 나선형 코일을 통해 회전 자기장을 유도, 이 자기장이 프로펠러처럼 돌며 추진력이 생기도록 고안됐다. 


최홍수 교수는 “자기장을 이용하는 기존 마이크로로봇은 단순하게 당기는 동작인 ‘마그네틱 풀링(Magnetic Pulling)’만 가능한 수준이었다”며 “이번에 개발한 로봇은 자기장이 스스로 회전하도록 만들어져 기존에 비해 회전과 이송 효율을 100~150배 높였다”고 설명했다. 


연구진은 이렇게 만든 마이크로로봇에 쥐의 해마에서 배양한 줄기세포를 얹어 뇌의 원하는 신경세포로 선택적으로 분화하는 데 성공했다. 실제 쥐 실험 결과 뇌 혈관과 뇌실에서 마이크로로봇으로 이송된 줄기세포는 성상교세포나 아교세포, 뉴런 등 뇌의 주요 세포로 정상적으로 분화됐다. 


연구진은 여기서 그치지 않고 실제 생체 내 환경을 모사한 ‘체외 다중미세장기연결망’이라는 플랫폼을 만들어 마이크로로봇으로 암세포를 외부에서 배양된 간 조직에 정확하게 전달하는 실험에도 성공했다. 


최홍수 교수는 “이 플랫폼을 만든 이유는 신체 외부에서 항암제를 암 조직에 투여했을 때 간이나 심장 등 주요 장기에 어떤 부작용이 있는지를 들여다볼 수 있기 때문”이라며 “후속 연구에서 항암제 등의 부작용 연구뿐만 아니라 자기 로봇을 기동시키는 데 필요한 자기장의 세기를 조절하는 등 연구를 진전시킬 계획”이라고 말했다. 

최홍수 DGIST 로봇과학과 교수와 유성운 DGIST 뇌인지과학과 교수
최홍수 DGIST 로봇과학과 교수와 유성운 DGIST 뇌인지과학과 교수. 사진 이서연(과학동아 제공)

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