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나노로봇 기술, 어디까지 왔나? – Sciencetimes
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암세포만 골라 공격하는 ‘다기능 나노로봇’ 나왔다 : 동아사이언스
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암세포만 골라 공격하는 ‘다기능 나노로봇’ 나왔다
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임상현장 의료 나노로봇, ‘안전성·비용·프라이버시’ 과제
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[BioNpro] 약물전달체 마이크로 나노로봇 연구동향
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나노로봇 기술, 어디까지 왔나? – Sciencetimes
처음 나노로봇에 대한 이야기를 한 사람은 천재 물리학자인 리차드 파인만(Richard P. Feynman, 1918~1988)이다.
그는 1959년에 열린 ‘저기 바닥에 많은 공간이 있습니다(There’s Plenty of Room at the Bottom)’라는 제목의 강연을 통해 엄청난 양의 정보가 작은 공간에 축적되는 나노로봇의 가능성을 예측한 바 있다.
그리고 62년이 지난 지금 그의 예언이 그대로 실현되고 있다. 9일 학술지 ‘ZME 사이언스(ZME Science)’에 따르면 최근 실제로 등장하고 있는 나로로봇이 사람의 머리카락 너비의 10만분의 1 수준에 도달하고 있다고 밝혔다.
나노봇으로 뇌 속에 약물 전달 가능해져
더 놀라운 것은 이 초소형 로봇들이 예상치 못한 상황으로 사람의 능력을 강화하고 있다는 것이다.
대표적인 사례가 의료 분야다. 과학자들은 의사가 환자에게 약물을 주사하거나 의약품을 투여하는 대신 나노로봇을 투여하는 방안을 연구 중이다.
치료용으로 제작된 이 나노로봇들은 사람 인체에 들어가 주변 상황을 스캔한 후 질병 등의 상황을 감지한다. 그리고 병원체에 감염됐거나 고장난 부위로 이동해 처방된 약물을 투여하거나 치료를 감행한다.
과학자들은 이런 시나리오를 실현하기 위해 지난 20여 년 동안 힘든 연구를 계속해왔다. 그리고 최근 어려운 제조공정을 개발하면서 의료용 나노로봇을 마침내 현실화할 수 있는 수준에 차츰 도달하고 있다.
지난 7일 의학포털 ‘메디컬 라이프사이언스’ 지에 나노 크기의 뇌질환을 표적으로 한 약물 운반체로 사용할 수 있는 나노 물질을 개발했다는 내용의 연구 결과를 발표했다.
이 물질은 죽어가는 세포에서 분비되는 세포사멸체(AB)를 활용한 것이다. 그동안 그 역할이 과소평가돼 왔다며, 그 안에 있는 천연 생물활성지질과 풍부한 단백질을 활용해 매우 기능적인 운반용 나노물질을 만들 수 있다고 밝혔다.
특히 혈액 속의 물질 중 선택된 일부 물질만 뇌 속으로 이동할 수 있게 하는 혈액‧뇌장벽(blood-brain barrier)은 뇌질환 치료의 어려움을 가중하며, 노화 문제를 가중시키고 있는데 이 나노머신을 통해 뇌 속으로 효율적인 약물전달이 가능하다고 말했다.
논문은 최근 ‘사이언스 어드밴스’ 지에 게재됐다. 제목은 ‘Delivering Antisense Oligonucleotides across the Blood-Brain Barrier by Tumor Cell-Derived Small Apoptotic Bodies’이다.
실용화에 앞서 윤리적 질문에 답변해야
나노로봇은 크기가 작기 때문에 사용범위가 매우 넓다.
특히 산업현장에서 각종 물질을 제어한다든지 환경정화를 위해 나노로봇을 활용하는 방안을 강구 중이다.
과학자들은 로티퍼 박테리아를 변형시켜 살아 있는 바이오 하이브리드 마이크로 로봇을 만들었는데 감지 능력과 자율성을 지닌 해양 미생물인 만큼 오염된 물을 여과하는데 있어 탁월한 후보물질로 평가받고 있다.
군대에서 무기로 활용될 수도 있지만, 지금까지 많은 연구자금을 투입하면서 공개적으로 테스트가 진행되고 있는 곳은 의료 분야다.
특히 암 등의 불치병을 치료한다든지 원자 규모의 수술 장비를 개발하고, 더 나아가 바리어스, 세균과 같은 병원체에 대항해 새로운 치료제를 개발할 수 있는 방법을 찾는데 나노봇이 활용되고 있다.
최근 들어 주목받고 있는 것은 나노로봇을 활용한 EPR 효과(Enhanced Permeability and Retention Effect)다.
EPR 효과란 일반적으로 암세포 주변에 큰 분자가 도달할 수 없는 상황에서 이를 가능케 하는 것을 말한다. 이 방식을 통해 암 진단을 빠르고 신속하게 할 수 있다는 연구 결과가 연이어 발표되고 있다.
현재 과학자들은 인간 마이크로 봇 수준의 인간 난자 크기의 로봇에 데이터를 저장하고, 환경을 감지하면서 손쉽게 작업을 수행할 수 있는 능력에 이르고 있다.
그리고 단계적으로 나노봇 수준의 로봇을 개발해 시험하고 있다. 캐나다 알버타 대학 연구진은 유방암 세포에서 발견되는 특정 마이크로RNA 서열을 감지할 수 있는 자율 나노머신을 개발했다.
이 나노봇은 유방암 세포를 미량으로 검출 할 수 있기 때문에 클리닉 과정에서 놓친 표적 분자를 상세히 검출해낼 수 있을 것으로 예상된다.
이런 추세로 나노봇이 개발된다면 인류의 미래는 예측할 수 없는 상황에 도달할 수 있다는 전망도 나오고 있다. 저명한 미래학자 레이 커즈와일(Ray Kurzweil)은 이미 2005년 나노과학이 오는 2040년이 되면 인간을 불멸의 초인적 능력을 선물하리라 예측한 바 있다.
그는 또 인공지능과 뇌를 연결하는 나노봇이 중요한 역할을 할 것이라고 주장한 바 있다. 그리고 최근 미국의 고등연구계획국(DARPA)은 혈액‧뇌 장벽을 투과하고 개별 뉴런의 신호를 군사용 뇌‧컴퓨터 인터페이스로 전송할 수 있는 나노 입자를 개발하는 중이다.
‘ZME 사이언스’는 현재 양자 나노로보틱스에 대한 탐색적 단계가 끝나고 다음 단계로 진입하고 있다고 밝혔다. 그러나 새로운 과정에 들어가기에 앞서 많은 윤리적 질문에 답변해야 하는 상황에 직면하고 있다고 밝혔다.
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암세포만 골라 공격하는 ‘다기능 나노로봇’ 나왔다
최은표 한국마이크로의료로봇연구원 연구부장(전남대 기계공학부 교수, 뒤에서 가운데) 연구팀은 고형암을 진단하는 동시에 치료도 가능한 다기능성 의료용 나노로봇을 개발하는 데 성공했다. 한국마이크로의료로봇연구원 제공
암을 향해 직접 움직이며 암을 진단하고 치료용 약물을 내뿜는다. 전 과정을 실시간으로 볼 수 있는데다 치료 효율도 높이는 기능이 들어있다. 이를 포함해 모두 5가지 기능을 동시에 하는 나노미터(㎚·10억분의 1m) 크기의 로봇이 개발됐다. 아직 인체에 적용하긴 이르지만 세포와 동물실험에서 능력을 입증해 암 치료의 새로운 방법으로 주목된다.
최은표 한국마이크로의료로봇연구원 연구부장(전남대 기계공학부 교수) 연구팀은 고형암을 진단하는 동시에 치료도 가능한 다기능성 의료용 나노로봇을 개발하는 데 성공했다고 26일 밝혔다.
암을 치료할 때는 ‘전신치료’ 방법이 주로 쓰인다. 약물을 넣고 몸 속 곳곳을 돌아다니다 암으로 전달되기를 기다리는 방법이다. 약물이 체내 다른곳에도 퍼지다 보니 약물저항성이 생기고 암에 약물을 보내기 위해 약물을 많이 쓰면서 독성과 부작용이 발생하기도 한다. 이를 극복하기 위해 원하는 곳에 약물을 바로 보내는 약물전달시스템(DDS)이다. 하지만 DDS는 약물 전달 성능이 몸 속 환경이나 조직의 특성에 따라 크게 달라지는 문제가 있고 암속 깊숙이 침투하기도 어려운 단점이 있었다.
이러한 한계 때문에 개발된 것이 체내에서 자기장 등을 이용해 마음대로 조작할 수 있는 나노 크기의 ‘나노로봇’이다. 하지만 나노로봇은 크기가 작다 보니 암을 진단하도록 설계되면 진단만, 약물을 전달하는 로봇이면 약물만 전달할 수 있어 암 치료에 필요한 여려 기능들을 동시에 수행할 수 없다는 한계가 있었다.
연구팀이 개발한 나노로봇의 모습이다. 나노 자석입자와 금 입자를 뭉친 나노로봇에 폴리도파민과 엽산, 항암물질을 코팅했다. 한국마이크로의료로봇연구원 제공
연구팀은 이를 극복할 수 있도록 5가지 임무를 수행하는 나노로봇을 개발했다. 10~20나노미터(㎚·10억분의 1m) 크기의 나노 자석입자와 금 입자를 뭉쳐 100㎚ 크기의 나노로봇을 만들었다. 자석입자는 외부 자기장에 의해 움직이며 입자를 암에 가까이 갈 수 있도록 원하는 방향으로 움직이게 해 준다. 금과 나노입자는 컴퓨터단층촬영(CT)이나 자기공명영상(MRI)으로 실시간으로 로봇이 몸 속 어디로 이동하는지 볼 수 있게도 해 준다.
로봇의 외부는 홍합에서 추출한 자연 물질인 ‘폴리도파민’으로 코팅했다. 이 물질은 근적외선을 흡수하는 능력이 뛰어나다. 외부에서 쏘아 준 근적외선이 로봇에 흡수되면 자석입자와 금 입자, 폴리도파민이 열을 방출해 온열치료로 암을 치료할 수 있게 한다. 그 바깥엔 암 세포에 반응하는 표적 물질인 엽산을 연결해 암을 발견하면 달라붙도록 했다. 간 항암제로 쓰이는 ‘독소루빈’ 물질도 붙여 로봇이 암을 발견하고 달라붙으면 항암 물질이 방출되도록 했다. 폴리에틸렌글리콜(PEG) 분자도 나노로봇에 붙여 다른 생체분자가 달라붙지 못하도록 해 항암 약효를 높였다.
연구팀은 나노로봇이 간암 세포실험에서 간암 세포주의 크기를 줄이는 것을 확인했다. 이후 쥐 실험에서는 쥐의 간 오른쪽 부위에 나노로봇을 보내고 근적외선을 가했더니 이곳에서 열이 방출되는 것을 확인했다. 반대쪽으로 보내고 실험했을 때도 같은 결과를 얻었다. 자연적으로 약을 퍼트렸을 때보다 70% 높은 비율로 약물을 원하는 곳에 전달할 수 있었다.
나노로봇은 동물 간 속에서 외부에서 조작하는대로 움직이며 약물을 방출하게 된다. 한국마이크로의료로봇연구원 제공
세포실험과 쥐 실험으로 로봇을 검증한 김규표 서울아산병원 종양내과 교수는 “암으로의 효과적인 약물전달을 극대화하면 주변 정상조직으로 전달은 최소화해 부작용을 줄일 수 있게 된다”며 “약물이 암 조직 속으로 침습하는 걸 극대화하고 치료 과정과 약물 작용 과정도 모니터링 할 수 있어 국소치료 단점도 극복할 수 있다”고 말했다.
연구팀은 아직 인체에 적용되기는 이르지만 암 치료 효율을 높이는 데 도움될 것으로 기대했다. 최 교수는 “이번 연구는 아직 원천기술단계”라고 강조하면서도 “생체 내 환경에 의존하는 수동형 약물전달시스템 기술 한계를 극복해 암 치료와 약물전달 응용 분야에서 기술 도약의 새로운 돌파구를 열 수 있을 것”이라고 말했다.
최 교수와 김 교수, 박석호 대구경북과학기술원(DGIST) 로봇공학부 교수, 허강무 충남대 고분자공학과 교수, 송지환 한밭대 기계공학부 교수가 함께한 이번 연구결과는 이달 6일 국제학술지 ‘나노 레터스’에 실렸다.
임상현장 의료 나노로봇, ‘안전성·비용·프라이버시’ 과제
나노바이오 기술은 코로나19 백신의 mRNA를 전달하는 핵심역할을 수행하면서 최근 그 호용성을 부쩍 주목 받고 있다.
지난달 30일 ‘AI 로봇의료 미래를 위한 준비와 과제’라는 주제로 열린 대한의료법학회 추계공동학술대회에서 연자로 나선 이인영 홍익대학교 법과대학 교수는 “의료용 나노로봇 개발 성과가 이어지면서 이에 대한 안전성 및 윤리적 관점에서 비용과 환자 프라이버시 문제 등이 제기된다”며 이같이 말했다.
나노로봇은 기존 마이크로 로봇보다 1000배 정도 작은 초소형 로봇이다. 특히 의료용 로봇은 일반적인 기계로봇 개념에 국한하지 않고, 화학분자를 이용해 인체를 나노 수준에서 컨트롤할 수 있다. 실제 인공 항체와 인공 백혈구 등에 활용되고 있다.
특히 암 치료에 있어 나노 캡슐을 사용하면 선택적으로 암세포를 궤멸시킬 수 있어, 새로운 치료옵션으로 각광 받고 있다.
의료용 나노로봇은 기존 치료법에 새로운 패러다임을 일으키고 있지만, 새로운 기술이 우리사회에 도입되는 데 따른 몇 가지 윤리적 문제점을 안고 있다며 이 교수는 설명했다.
먼저 신기술 분배에 따른 의료 불평등이다. 이 교수는 “나노기술 상품화가 계속될수록 선진국과 개발도상국, 부유층과 빈곤계층 간 사회적 격차가 심해질 가능성이 존재한다. 즉 ‘나노격차(nano divide)’에 따른 분배 정의 문제가 제기된다”고 말했다.
나노의학 발달이 환자가 부담하는 비용 경감으로 이어질지도 의문이란 지적이다.
이 교수는 “의료용 나노로봇 상용화가 이뤄지더라도 연구비에 대한 투자가 이어지고 개발한 기술에 대한 특허권의 독점 등, 나노기술에 기반한 진단과 치료비용은 상당히 고가일 것으로 예상 된다”며 “즉, 일부 환자들만이 혜택을 받고 나머지는 소외될 가능성이 있는 것”이라고 말했다.
그는 또 환자 개인정보 및 유전정보가 유출될 위험성에 대해서도 고려해야 한다고 강조했다.
이 교수는 “나노기술과 융합된 의학적 진단기술은 초소형화, 간이성, 지속성 등의 특징을 갖고 있기 때문에 환자 자신도 모르는 사이 개인 건강정보가 유출될 가능성을 갖고 있다”며 “예를 들어, 모니터링 목적으로 칩이나 장치를 삽입하는 것은 개인정보 보호 및 기밀 유지에 대한 중요한 질문을 제기할 수 있다”고 설명했다.
이어 “예를 들어, 랩온어칩(LOC) 기술은 검사자 동의 없이도 진단검사가 가능한데, 유전자 수준에서 개인생체 정보가 유출될 가능성이 높다”고 덧붙였다.
아직 안전성에 대한 윤리적 이슈도 산재한 상황이라는 입장을 피력했다.
이 교수는 “나노물질은 크기가 미세하고 그 경로 역시 다양해서 확실한 진단과 예측을 하기 어렵다”며 “유행성과 관련한 판단 기준도 분명하지 않다”고 말했다.
그는 이어 “나노물질은 크기가 미세한 만큼 인체 내 위험 발생과정이 복잡해 위험에 대한 진단과 예측이 매우 불확실하다는 문제도 있다”면서 “체외배출기능이 불가능해질 경우, 체내 축적 위험성도 있다”고 덧붙였다.
“나노기기‧나노로봇‧나노의약품 개념 정립 필요”
이 교수 발제에 토론자로 나선 김한나 연세대 의과대학 인문사회의학교실 연구조교수[사진]는 “최근 나노의학기술은 체내에 투입해 활용하는 방식으로 사용되기 시작하며 큰 변화를 눈앞에 두고 있다”며 “다양한 윤리적 문제에 대해 고민이 필요하다”고 의견을 보탰다. 이 교수 발제에 토론자로 나선 김한나 연세대 의과대학 인문사회의학교실 연구조교수는 “최근 나노의학기술은 체내에 투입해 활용하는 방식으로 사용되기 시작하며 큰 변화를 눈앞에 두고 있다”며 “다양한 윤리적 문제에 대해 고민이 필요하다”고 의견을 보탰다.
그는 “특히 로봇이 개인의 방대한 생체정보를 임의로 운용하게 되는데, 이런 부분에 대한 논의와 정보가 적은 상황”이라며 향후 학계에서 적극적인 논의가 필요하다는 입장을 피력 했다.
그러면서 선결과제로 “나노기기‧나노로봇‧나노의약품의 개념이 정립돼야 한다”고 강조했다.
[데일리메디 박정연 기자] 의료용 나노로봇의 개발과 도입이 점점 가속화되는 가운데 학계에서는 안전성, 비용, 환자 프라이버시 윤리적 문제에도 귀를 기울여야 한다는 조언이 나온다.
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