심혈관질환 감지·관리 연구로 라이프케어 새 패러다임 이끌어

DGIST 자성기반라이프케어연구센터 관계자가 바이오의료분석을 위한 자성기반 마이크로 디바이스 제작 공정을 살펴보고 있다. 〈DGIST 자성기반라이프케어연구센터 제공〉

대구 DGIST자성기반라이프케어 연구센터는 나노(nano)-자성(磁性·magnetism)에 바이오 의료를 접목한 선도적인 융합연구를 진행하고 있다. 포스텍(포항공대), 영남대 의과대학 등 국내 10여 명의 학자와 연구원이 참여해 선도연구를 하고 있으며, 독일 막스플랑크 연구소·라이프니츠 연구소, 프랑스 몽펠리에 의대 등과도 국제협력 연구 시스템을 갖추고 있다. 대구 DGIST자성기반라이프케어 연구센터의 연구현황과 국내 연구력 향상 방안 모색 등을 세 차례에 걸쳐 연재한다.

과기부 선도연구사업 수행 중
포스텍·영남대 등도 과제 참여
獨·佛과 국제협력시스템 구축

이학·공학·의학·생물학 전공자
다학제 융복합 협력 연구 근간
질병 상관관계 통합적인 분석

국내외에 37건 특허 출원·등록
원천기술 산업화 연구 추진도

침묵의 사신으로 불리는 고혈압과 당뇨, 고지혈증과 같은 심혈관 질환은 아무런 증상 없이 수년에서 수십 년 동안 혈관에 손상을 주다가 갑자기 심근경색, 뇌졸중, 죽상경화와 같은 합병증을 일으켜 사람에게 치명적인 손상을 일으킨다. 심혈관 질환으로 인한 세계적인 사망률은 31%로 암에 의한 사망률 13%보다 높지만(한국은 암에 이어 사망률 2위) 심혈관 상태 및 질환을 조기에 감지하거나 완치할 수 있는 치료 방법이 없어 발병 후 평생 관리가 필요한 질병이다.

DGIST자성기반라이프케어 연구센터는 전자기 센서 기술을 활용해 심혈관의 물리적·화학적 상태를 비교하고 혈관 및 혈액 활동을 역학적으로 감지하는 의료융합시스템을 구축해 장기간에 걸친 심혈관 나이 측정뿐만 아니라 세포 단위 혈관의 변이 기전을 이해하고 분석하는 기술을 개발 중에 있다. 또 심혈관 관련 질환 원천기술 및 차세대 의료융합시스템 개발을 통해 혈관계 표준지표 관리를 위한 의료융합시스템 구현을 통해 혈관계의 전 주기적 활동을 감지 및 관리하는 새로운 라이프케어 패러다임을 리드하는 세계적인 기술 선도센터다.

DGIST자성기반라이프케어 연구센터(과제책임자 김철기 교수)는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 주관하는 '2018년 선도연구센터지원사업 공학분야(ERC, Engineering Research Center)'에 선정돼 원천 연구를 수행하고 있다. 2025년까지 국비 135억원, 대구시비 8억4천만원 등 총 150억4천만원의 사업비가 투입된다. 2021년 1단계 사업 평가에서 우수 판정을 받았으며, 2단계에서 이에 대한 심화 연구를 수행 중이다.

연구센터장인 DGIST 신물질과학전공 김철기 교수는 "새로운 개념의 전자기 소자 기술과 의료진단 기술을 융합해 혈관 내 세포 단위의 질병 발생 메커니즘에서부터 혈액 및 혈관의 물리적 상태를 지속적으로 감지하고 관리하는 전자기 기반 의료융합시스템을 개발하고 심혈관 질환 관련 의료지표를 표준화하여 삶의 질 향상과 국가 의료 비용을 절감하고자 한다"며 "심혈관 질환 분석 및 표준지표 설정을 위한 원천기술과 의료기기를 개발해 우리나라가 세계적으로 해당 분야 연구를 선도하고 관련 산업 발전과 고용 창출에 앞장서고 있다"고 말했다.

◆융합연구 선도연구센터

DGIST 김철기 센터장은 나노자성과 바이오 의료를 접목한 'Nano-Bio-Medical-Magnetics' 경계 기술의 세계적 연구자로 평가받고 있다. 주관기관인 DGIST와 영남대 의과대학, 아산병원, 포스텍, 한국기계연구원의 분자진단, 세포분석, 전자기 피부, 마이크로·나노 유체 채널, 심혈관 질환 및 인공혈관 등 관련 분야 전문가 10명이 연구에 참여하고 있으며, 〈주〉EV 첨단소재, 〈주〉TSR, 바이오 업체인 〈주〉바이오이즈 및 〈주〉에이아이메딕을 중심으로 기술 협력을 하고 있고 지역 유관기관 및 산업체와도 협력 중에 있다.

12㎞에 이르는 사람의 혈관 중에서 안구 혈관 및 동맥 혈관, 혈액 및 혈류가 주 분석 대상이며, 소자 및 분석 기술 대상에 따라 미세기술(Micro-), 중시기술(Meso-) 및 거시기술(Macro-)로 대별해 연구를 하고 있으며 매년 두 차례 전체 워크숍을 통해 유관연구의 시너지 효과를 증대하고 있다.

미세기술에서는 심혈관 질병상태를 나타낼 수 있는 바이오 마커(bio-marker: 피 한 방울로 수 개의 암을 판별한다는 DNA·RNA 및 단백질을 나타내는 동일한 의미의 특정 생체 분자 표시자) 개발, 자성나노입자기반 다채널 마이크로유체칩 및 미세유체 스트립센서를 이용, 바이오 마커를 분리 및 검출해 심혈관 질환의 발현 전 징후를 감지함으로써 혈관 질환의 예방에 기여하고자 한다.

중시기술에서는 혈관 내 물질 수송을 영상화하는 다중 스케일 기술을 개발하고 혈관세포 이송을 실시간 감지를 통해 질병-이상세포 거동을 정량화한다는 계획이다. 특히 초해상도 영상기술을 통한 단일 세포 수준의 혈류 추적기술의 개발, 모세혈관에서 영양분과 노폐물의 이송을 정량하는 기술 개발과 아울러 세포단위에서 생물리학적 변화(예: 온도, 분자 동역학 및 임피던스)를 분석해 새로운 세포단위 진단기법 개발에 활용한다는 목적을 갖고 있다.

거시기술에서는 비침습형 맥파 측정 시스템을 개량하고 인가 압력에 따른 맥파 측정 신호와 조건에 따른 파형 주파수 시뮬레이션 비교 분석을 통해 고혈압-저혈압-맥파혈류 속도(PWV: pulse wave velocity)-혈관 경직도(AI: Augmentation Index)를 동시에 측정할 수 있는 과학화된 변수의 맥파혈류속도 및 맥박패턴분석 시스템을 개발하고 있다.

◆다학제 간 도전적 연구 구현

'돈키호테'를 쓴 세르반테스가 "불가능한 것을 성취하려면 불가능한 것도 실행하여야 한다"는 말처럼 과학기술적 관점, 바이오의학적 관점 및 신기술 창출을 통한 경제적 관점에서 도전적 연구를 진행하고 있다. 센터 핵심 연구원은 이학, 공학, 의학 및 생물학 전공자로서 다학제간 협력 연구를 근간으로 하고 있으며, 각 그룹의 결과는 질병 진단 및 징후 감지를 위해 분자-세포-조직의 상관관계를 통합적으로 분석하고 있다. 다른 기관 연구원이 공간적으로 떨어져 있기 때문에 다학제-융복합 연구에 어려움이 있지만 DGIST가 다른 전공 소속 학생 및 박사후 연구원을 공동지도하는 것이 가능한 제도적 지원과 매년 2회의 센터 공동 워크숍을 통해 이를 극복해 가고 있다. 따라서 다양한 전공 전문가가 자성 융합 Bio-NEMS(Nano Electro Mechanical System)·MEMS(Micro Electro Mechanical System) 고도화 기술 개발을 통해 미시 및 중시, 거시 관점에서 생체 변수 분석을 통해 혈류 및 혈관의 바이오화학, 물리역학적 특성을 분석하고 이의 의과학적 표준화 지표를 도입해 발병 후 대응치료에서 심혈관의 선제관리 중심으로 의료 패러다임을 전환하고자 연구를 진행하고 있다.

◆연구성과

DGIST자성기반라이프케어 연구센터는 독일 막스플랑크 연구소·라이프니츠 연구소, 프랑스 몽펠리에 의대(노스트라다무스가 의사로 활동, 14C 유럽에서 유일하게 개복 수술이 허용된 의과대학), 미국 피츠버그 의대와 자성기반 분자진단, 집적화된 지능형 스텐트 개발 등 심혈관 진단 기술에 대해 협력 연구를 수행 중이다.

연구센터의 우수한 결과는 세계유수의 학술지(발표논문 IF 평균 8.504) 발표와 더불어, 자성기반 무방향성 악력센서 시제품 제작 및 영남대 병원 임상실험 진행, 혈관 물리특성 표준화 지표 설정을 위한 새로운 소자 및 맥파분석 원천기술 등 37건의 국내외 특허를 출원 및 등록하였고, 2022년 2단계에서는 의과학적 표준화 지표를 확립 및 관련 기술의 산업화 연구를 추진하고 있다. 박종문기자 kpjm@yeongnam.com