차세대 기술로 무장한 의료기기 기술이 개발돼 상용화에 대한 기대감을 높이고 있다.

11일 업계에 따르면 국내에서 천연 누에 단백질 실크로 만든 심장판막, 항바이러스 효과 2배 빠른 컬러 나노 코팅 기술, 알츠하이머 조기 진단하는 센서 단백질 등의 개발에 성공했다.
 
세브란스병원 소아심장과 정세용 교수는 최근 연세대학교 화공생명공학과 홍진기 교수와 함께 나방의 유충인 누에가 만들어내는 천연 단백질 실크 피브로인(silk fibroin)을 심장판막질환 환자를 위한 인공 판막 제작에 사용할 수 있는 가능성을 확인했다.

심장의 4개의 판막은 열리고 닫히면서 혈류의 흐름을 조절한다. 퇴행성 변화, 선천성 심장병 등에 의해 판막의 여닫이 기능에 문제가 생기면 심장 내부가 좁아지는 협착이나 혈액 역류가 발생해 호흡곤란 등 심부전 증세가 나타날 수 있다.

최종 치료로는 인공 판막으로 기존의 판막을 대체하는 판막 치환술을 시행한다. 현재 사용하는 대체 인공 판막으로는 금속으로 만든 기계 판막과 소나 돼지 등 동물의 판막으로 만든 동물 조직 판막이 있다.

기계 판막을 사용하면 혈전(피떡)이 잘 발생해 피가 굳는 것을 막는 항응고 요법을 평생 받기에 출혈로 인한 합병증 위험성이 커지고, 동물 조직 판막의 경우에는 판막 기능 부전(저하)이 발생할 위험이 커 재수술 또는 시술을 받아야 하는 단점이 있다.

이러한 이유로 재료공학·생체공학적 기법을 아우르는 신소재를 활용한 인공심장 판막 개발의 필요성은 매우 크다. 하지만 심장의 압력을 견딜 만큼 높은 강도와 내구성, 탄성을 가진 대체제를 구할 수 없어 신소재 판막 개발은 어려웠다.

연구팀은 최근 의료 분야에서 기능성 소재로 각광받는 소재인 실크 피브로인(Silk fibroin)으로 심장판막 모양을 만들어 그 성능을 평가했다. 연구팀은 이에 앞서 실크 피브로인이 가진 엉킴 현상을 극대화해 내구성 등을 강화할 수 있는 기법을 적용했다.

실크 피브로인은 나방의 유충인 누에가 만들어내는 질긴 실을 구성하는 섬유 형태의 단백질을 말한다. 무색‧무취로 인체에 무해하다.

연구팀이 실제 심장의 박동과 비슷한 압력을 실크 피브로인으로 만든 인공 판막에 가하는 등의 방법으로 내구성을 확인한 결과 일반적인 천연 실크로 만든 판막에 비해 강도가 13.8배, 탄성도가 10.1배 높았다.

이에 더해 심장 박동 테스트를 시행해보니 높은 내구성을 보이며 일반적인 수축기 혈압 범위인 60-180mmHG(밀리미터수은)을 넘어서는 압력에서도 판막으로서의 기능을 안정적으로 유지했다.

이어 실제 체내에서 생길 수 있는 부작용 등을 확인하기 위해 진행한 혈액 적합성 검사에서도 정상이거나 혈관계 질환을 앓는 환자에서 혈전 형성, 석회화 등 혈류를 방해할 만한 부작용은 발생하지 않았다.

연구팀은 동물을 기반으로 하는 판막 제작 사용도 줄일 수 있어 환경에도 좋은 영향을 줄 것으로 내다봤다.

한국과학기술연구원(KIST) 물질구조제어연구센터 조소혜 박사는 최근 연구동물자원센터 이승은 박사와 함께 은 나노입자(Ag nonoparticle)를 박막 표면에 형성해 항바이러스 활성을 극대화하면서 다양한 색까지 구현할 수 있는 나노코팅 기술을 개발했다.

연구팀은 실리콘이 들어 있는 무기 고분자인 퍼하이드로폴리실라잔(PHPS)을 이용해 물체 표면에 실리카(SiO₂) 박막을 형성한 뒤 은 나노입자가 포함된 수용액을 이용해 실리카 박막 위에 나노입자를 코팅하는 기술을 개발했다.

은 입자는 바이러스 표면 단백질과 결합해 바이러스 구조와 기능을 파괴해 감염을 막는다며 이번에 개발한 나노 코팅은 표면에 은 나노입자가 층을 형성해 적은 양으로도 높은 항바이러스 활성을 보인다고 연구팀은 설명했다.

코로나바이러스 대신 실험에 사용된 렌티 바이러스로 은 나노코팅과 현재 사용되는 상용 은나노 필름의 항바이러스 효과를 실험한 결과 은 나노코팅의 바이러스 사멸 속도가 2배 이상 빠른 것으로 나타났다.

은 나노코팅은 대장균을 이용한 항균 실험에서도 24시간 안에 박테리아를 완전히 박멸하는 효과를 보였다.

연구팀은 또 개발된 은 나노코팅 기술은 실리카층 두께를 조절하는 방법으로 빛의 간섭을 제어, 다양한 색을 구현할 수 있어 물체 표면에 원하는 색깔의 항바이러스 코팅을 만들 수 있다고 설명했다.

한국과학기술원(KAIST) 생명과학과 김학성 교수팀은 최근 알츠하이머·파킨슨병과 같은 신경계 질환부터 암·심혈관계 질환·대사질환을 유발하는 것으로 알려진 비정형 단백질을 간단하게 검출할 수 있는 센서 단백질을 개발했다.

단백질은 특정한 3차원 구조를 가지며 생체 내 다양한 기능을 수행하는 데, 실제 인간 단백질 중 44%는 상황에 따라 구조가 변화는 비정형 단백질로 고정된 구조를 갖는 일반 단백질보다 더욱 다양한 기능을 수행한다.

다만 비정형 단백질은 고정된 구조가 없어 분석·기능 연구가 어려웠다.

연구팀은 비정형 단백질이 단백질 2차 구조인 베타 스트랜드(β-strand)를 형성하는 특정 아미노산 서열을 갖고 있다는 점에 착안해 이러한 특정 서열과 상보적으로 결합할 경우에만 신호를 방출하는 새로운 형태의 센서 단백질 디자인 방법을 정립했다.

자연계에 존재하는 녹색 형광 단백질(GFP)의 베타 스트랜드를 하나 제거한 후 비정형 단백질의 특정 서열을 결합하면 형광 단백질 발색단(chromophore)의 파장 스펙트럼이 변화하는 센서 단백질을 컴퓨터 및 방향적 진화 방법을 이용해 개발했다.

연구팀은 대표적 비정형 단백질의 하나로 알츠하이머를 유발하는 세포 내 베타-아밀로이드(β-amyloid)를 검출할 수 있는 센서 단백질을 디자인해 실시간으로 세포막과의 상호작용을 추적하고 영상화할 수 있었다고 설명했다.

기존에 비정형 단백질을 분석하기 위해서는 복잡한 여러 단계 전처리 과정이 필요하고, 이로 인해 비정형 단백질 자체가 크게 변형됐다.

이번 센서 단백질은 비정형 단백질과 섞어주는 것만으로 매우 간편하고 빠르게 비정형 단백질을 검출할 수 있어 분석 및 관련 뇌 질환 등 연구에 크게 기여할 것으로 기대된다.