심장병, 3차원 센서로 실시간 체크한다

작성일 2024-09-23

연구 모식도. 줄기세포를 기반으로 성장시킨 인공 심장의 전기생리학 정보 및 기계적 활동을 3차원 바이오 소자를 활용해 장기간 측정이 가능하다.

정보전자신소재공학과 박윤석 교수 연구팀, 3차원 바이오 센서 개발
인공 심장의 전기, 기계 신호 동시에 측정해

심장 마비, 뇌졸중, 고혈압과 같은 심혈관 질환은 전 세계적으로 주요한 사망 원인으로 조기 진단과 효과적인 치료가 중요하다. 최근 인공 심장을 이용한 연구가 활발히 이루어지며 심혈관 질환의 새로운 치료법 개발을 위한 노력이 이뤄지고 있다. 이러한 상황 속 정보전자신소재공학과 박윤석 교수 연구팀이 인공 심장의 심혈관 정보를 실시간으로 측정하는 3차원 바이오 센서를 개발해 심혈관 치료의 새로운 장이 기대된다.

박윤석 교수 연구팀이 개발한 3차원 바이오 센서는 인간 유도 줄기세포를 활용해 배양한 인공 심장의 심전도, 심장 박동 운동을 측정할 수 있다. 이를 통해 다양한 심혈관 질환을 분석할 수 있다. 분석 결과를 활용한 전기, 약물 자극을 통한 새로운 치료법 개발이 기대된다. 연구 결과는 저명 학술지 ＜Science Advances(IF=11.7)＞에 9월 13일(금) 게재됐다.

배아줄기세포, 유도만능줄기세포와 같은 만능줄기세포는 정밀한 분화 제어를 통해 정확한 조직 형태를 가진 유사 장기(Organoid)로 분화할 수 있어 다양한 인공장기로 활용돼 질환 모델링 및 치료제 개발에 사용된다. 그중 인공 심장은 인간의 심장과 유사하게 규칙적이고 자발적인 수축기와 이완기를 보일 뿐만 아니라, 동시에 심장 근육을 통해 통과하는 전류의 흐름을 가져 다양한 심혈관 질환을 연구할 수 있다.

그림 설명. 인공 심장의 전기신호, 움직임 측정이 가능한 센서가 실장되어 있는 3차원 유연 바이오 센서

기존의 인공 심장은 2차원 형태의 막대 형태로 배양돼 3차원의 심장 움직임을 구현하지 못했다. 또한 심장 조직의 심전도를 측정하는 센서를 부착하기 어려워 광학적인 방법으로 분석되기 어렵다는 한계가 있었다. 이번 연구에서는 심장의 단면과 유사한 형태를 가지는 링 형태의 인공 심장을 배양했다. 개발한 인공 심장에는 다양한 센서가 부착돼 인공 심장에서 발생하는 전기적, 기계적 신호를 통시에 측정할 수 있다.

박윤석 교수 연구팀은 2021년 동일 학술지에 인공 뇌의 전기적, 기계적, 광학적 신호를 측정하고, 동시에 자극을 전달할 수 있는 인공 뇌용 3차원 뉴럴인터페이스 (3D Neural Interfaces) 바이오 센서를 제작해 발표하는 등 소프트 일렉트로닉스 분야에서 왕성한 성과를 기록했다. 박윤석 교수는 “이번 연구를 통해 뇌뿐만이 아닌, 심장, 간, 방광, 허파 등 다양한 인공장기 연구가 가능한 3차원 바이오 센서의 개발이 가능함을 증명했다”며 “3차원 바이오 센서 플랫폼을 개발해 다양한 질환의 치료법 개발에 도움될 수 있도록 노력할 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 소프트 일렉트로닉스 분야를 선도하는 미국의 노스웨스턴대학교 존 로저스(John Rogers) 교수 연구팀, 노스웨스턴대학교 의과대학의 엘리자베스 맥낼리(Elizabeth McNally) 교수 연구팀, 한양대학교 오세용 교수와 협업으로 진행됐다. 이번 연구는 한국연구재단과 KIST 위탁연구 사업의 지원으로 진행됐다.