Tomorrow’s Smart Pills Will Deliver Drugs and Take Biopsies
Ingestible electronics can sense and act inside the gut
One day soon, a doctor might prescribe a pill that doesn’t just deliver medicine but also reports back on what it finds inside you—and then takes actions based on its findings.
Instead of scheduling an endoscopy or CT scan, you’d swallow an electronic capsule smaller than a multivitamin. As it travels through your digestive system, it could check tissue health, look for cancerous changes, and send data to your doctor. It could even release drugs exactly where they’re needed or snip a tiny biopsy sample before passing harmlessly out of your body.
https://spectrum.ieee.org/ingestible-electronics
생체검사(生體檢査)의 줄임말로 병을 진단하거나 치료 경과를 검사하기 위하여 예를 들면 콩팥이나 간 따위의 세포조직을 약간 잘라 내어 현미경으로 검사하는 일등을 가리킨다.
미래의 스마트 알약은 약물을 전달하고 생검을 채취할 것입니다.
섭취 가능한 전자 장치는 장 내부에서 감지하고 작용할 수 있습니다.
지않아 의사는 단순히 약을 투여하는 것뿐만 아니라 몸속에서 무엇을 발견했는지 알려주고, 그 결과를 바탕으로 조치를 취하는 알약을 처방할지도 모릅니다.
내시경 검사나 CT 촬영을 예약하는 대신 , 종합 비타민보다 작은 전자 캡슐을 삼키게 됩니다. 이 캡슐은 소화기관을 통과하면서 조직 건강 상태를 확인하고, 암세포 변이를 찾아내며, 의사에게 데이터를 전송할 수 있습니다. 심지어 필요한 부위에 정확하게 약물을 투여하거나, 몸 밖으로 배출되기 전에 미세한 조직 샘플을 채취할 수도 있습니다.
모든 질병을 치료하는 만능 알약에 대한 꿈은 섭취 가능한 전자 장치, 즉 위장관 내부에서 질병을 모니터링하고 치료하도록 설계된 스마트 캡슐에 대한 연구를 급증시키고 있습니다. 그 중요성은 매우 큽니다. 염증성 장 질환 , 셀리악병 , 소장 세균 과증식증과 같은 위장관 질환은 전 세계 수천만 명에게 영향을 미칩니다. 진단은 종종 혈액 검사, 영상 검사, 침습적인 내시경 검사 등 복잡하고 어려운 과정을 거쳐야 합니다. 한편, 치료는 약물이 장 질환뿐만 아니라 전신에 영향을 미치기 때문에 심각한 부작용을 초래할 수 있습니다.
캡슐이 진단 간소화, 표적 치료 제공, 환자의 반복적인 침습적 시술 감소 등 의료 서비스의 많은 부분을 처리할 수 있다면 의료 시스템에 혁신을 가져올 수 있을 것입니다. 지난 20년간 연구자들은 섭취 가능한 의료 기기들을 꾸준히 개발해 왔으며, 일부는 이미 임상에서 사용되고 있습니다. 이러한 캡슐 형태의 기기들은 일반적으로 센서, 회로, 전원, 그리고 때로는 통신 모듈을 생체 적합성 소재로 만든 껍질 안에 담고 있습니다. 하지만 다음 단계의 도약은 아직 개발 단계에 있습니다. 바로 감지 기능과 작동 기능을 모두 갖춘 자율형 캡슐, 즉 약물을 방출하거나 조직 샘플을 채취할 수 있는 캡슐입니다.
이것이 바로 저희 연구실, 메릴랜드 대학교 컬리지파크 캠퍼스 의 MEMS 센서 및 액추에이터 연구실 (MSAL)이 해결하고자 하는 과제입니다 . 수십 년간 축적된 미세전기기계시스템 ( MEMS ) 기술의 발전을 바탕으로, 센서, 액추에이터 , 무선 연결 기능을 통합한 작고 안전한 삼킬 수 있는 의료기기를 개발하고 있습니다 . 전력, 소형화 , 생체 적합성, 신뢰성 등 해결해야 할 과제는 많습니다. 하지만 이 연구가 성공적으로 진행된다면, 집에서 간편하게 삼킬 수 있는 알약 형태의 의료기기로 개인 맞춤형 최소 침습 의료의 새로운 시대가 열릴 것입니다.
스마트 캡슐이라는 아이디어는 1950년대 후반 연구자들이 소화관 내부의 온도, 위산도, 압력을 측정하는 삼킬 수 있는 장치를 처음 실험했을 때부터 존재해 왔습니다. 당시에는 공상 과학 소설 에 가까운 이야기로 여겨졌는데, 이는 1966년 영화 <환상여행> 에서 축소된 의사들이 인체 내부를 여행하며 혈전을 치료하는 모습과 같은 대중문화적 이미지에 힘입은 바가 큽니다 .
장갑을 낀 손이 작은 전자 캡슐을 들고 있고, 실험실 안전 장비를 착용한 연구원이 배경에 흐릿하게 보인다.저자 중 한 명(고드시)이 위장관 내 특정 부위에서 약물을 방출하도록 설계된 소형 약물 전달 캡슐을 들고 있다. (사진: 막시밀리안 프란츠/메릴랜드 매거진 엔지니어링)
수십 년 동안 위장관 진단 의 주력은 내시경 검사였습니다. 유연한 관에 카메라가 달려 있어 목구멍이나 대장을 통해 삽입하는 방식이었죠. 이러한 시술은 상당히 침습적이며 환자에게 진정제를 투여해야 하므로 합병증 발생 위험과 비용이 증가합니다. 게다가 내시경이 소장의 구불구불한 경로를 안전하게 통과하기 어렵다는 문제점도 있었습니다. 이러한 상황은 2000년대 초 비디오 캡슐 내시경이 등장하면서 바뀌었습니다. 가장 잘 알려진 제품인 필캠(PillCam )은 커다란 비타민처럼 생겼지만 카메라, LED , 송신기가 내장되어 있습니다. 내시경이 장을 통과하면서 이미지와 영상을 착용형 기기로 전송합니다.
오늘날 캡슐 내시경은 소화기내과에서 흔히 사용되는 도구입니다. 삼킬 수 있는 기기를 통해 산도, 온도 또는 가스 농도를 측정할 수 있습니다. 연구자들은 약물을 전달하거나 장내 미생물군을 분석하는 실험적인 프로토타입을 개발하며 한 단계 더 나아가고 있습니다 . 예를 들어, 매사추세츠 주 터프츠 대학교 와 인디애나주 퍼듀 대학교 연구팀은 장내 미생물군 연구를 위해 액체 샘플을 채취할 수 있는 용해성 코팅 및 메커니즘을 갖춘 기기를 개발하고 있습니다
하지만 이러한 장치들은 모두 수동적입니다. 타이머가 작동하거나 장의 중성 pH에 노출되면 활성화되지만, 실시간으로 환경 변화에 적응하지는 못합니다. 다음 단계는 생체 지표를 감지하고, 스스로 판단하여 특정 동작을 수행할 수 있는 캡슐, 즉 정교한 하드웨어에서 진정으로 자율적인 "스마트 알약"으로 나아가는 것입니다. 바로 이 부분에서 저희 연구가 중요한 역할을 합니다.
MEMS 기술을 기반으로
MSAL은 2017년부터 의료 분야 에 즉각적인 영향을 미치는 것을 목표로 섭취형 기기 개발에 매진해 왔습니다 . 이 그룹은 미세 가공 , 센서 및 시스템 통합 분야에서 MEMS 커뮤니티가 축적해 온 기술력을 기반으로 3D 프린팅 과 생체 적합성 고분자 와 같은 새로운 기술을 활용했습니다 . 이러한 발전 덕분에 시제품 제작 속도를 높이고 기기 크기를 소형화할 수 있게 되어 웨어러블 기기 , 임플란트 , 그리고 이제는 섭취형 기기에 이르기까지 혁신의 물결을 일으키고 있습니다. 현재 MSAL은 엔지니어, 의사, 데이터 과학자 들과 협력하여 이러한 캡슐형 기기를 연구실 단계에서 임상 시험 단계로 발전시키기 위해 노력하고 있습니다.
첫 단계로, 2017년에 우리는 소장에 안정적으로 도달하고 도달 시점을 알려줄 수 있는 센서 탑재 캡슐을 설계하기 시작했습니다. 또 다른 과제는 실험실에서는 잘 작동하는 센서도 장내에서는 제대로 작동하지 못할 수 있다는 점이었습니다. 장내에서는 pH 변화, 습도, 소화 효소, 저산소 환경 등으로 인해 일반적인 감지 부품이 손상될 수 있기 때문입니다.
고속 동영상은 캡슐이 미세 바늘을 이용하여 약물을 장 조직에 전달하는 과정을 보여줍니다. (메릴랜드 대학교/엘스비어)
수동형 장치를 사용한 첫 번째 시도는 캡슐 설계의 기본 원리를 가르쳐주었고 새로운 응용 분야의 가능성을 열어주었습니다. 그 이후로 우리는 황화수소 가스 , 세로토닌과 도파민 같은 신경전달 물질 , 그리고 장 조직을 통해 이온이 얼마나 쉽게 통과하는지를 측정하는 생체 임피던스와 같은 생체 지표를 추적할 수 있는 센서를 개발하여 장내 미생물군, 염증 및 질병 진행 과정을 밝혀냈습니다. 동시에, 우리는 저전력 액추에이터를 사용하여 장 내부에서 정밀한 기계적 움직임을 유발하는 캡슐 기반 약물 방출 제어 도구 및 조직 생검 도구와 같은 보다 능동적인 장치 개발에도 힘써왔습니다.
모든 새로운 의료 기기 및 치료법과 마찬가지로, 섭취형 전자 장치는 환자에게 도달하기 전에 의사의 신뢰와 보험 승인을 얻는 것부터 명확한 효능, 안전성 및 신뢰성을 입증하는 것까지 많은 난관에 직면합니다. 특히 포장은 중요한 고려 사항인데, 캡슐은 삼키기 쉬우면서도 위산을 견딜 수 있을 만큼 견고해야 하기 때문입니다. 이 분야는 조직 실험을 통한 개념 증명부터 다양한 단계의 동물 연구를 거쳐 최종적으로 인체 임상 시험에 이르기까지 안전성과 신뢰성을 꾸준히 입증해 나가고 있습니다. 각 단계마다 의사와 환자를 안심시키는 증거가 제시됩니다. 예를 들어, 적절하게 포장된 초소형 배터리를 섭취하는 것이 안전하다는 점, 그리고 캡슐의 무선 신호는 휴대전화 신호보다 훨씬 약하기 때문에 장을 통과하는 동안 건강에 아무런 위험을 초래하지 않는다는 점 등이 있습니다.
알약 크기의 진단 실험실 설계
위장관에는 건강과 질병에 대한 수많은 단서가 있지만, 표준 진단 도구로는 접근하기 어려운 부분이 많습니다. 경구용 캡슐은 소장과 대장에 직접 접근할 수 있는 새로운 방법을 제시합니다. 그러나 많은 경우, 질병 초기 단계에서는 화학적 바이오마커의 농도가 너무 낮아 신뢰할 수 있게 검출하기 어렵기 때문에, 이를 개발하는 데에는 상당한 기술적 난제가 있습니다. 더욱이, 부식성이 강하고 효소가 풍부한 장내 환경은 다양한 방식으로 센서를 오염시켜 측정값을 왜곡하고 데이터에 노이즈를 추가할 수 있습니다.
약물 전달 캡슐용 마이크로니들 디자인은 수년에 걸쳐 발전해 왔습니다. 초기 프로토타입[상단]은 마이크로니들 앵커를 사용하여 캡슐을 제자리에 고정했습니다. 이후 디자인에서는 보다 균일한 제작을 위해 성형된 마이크로니들 어레이[중간]를 채택했습니다. 가장 최근 버전[하단]은 속이 빈 마이크로인젝터 니들을 통합하여 더욱 정밀하고 제어 가능한 약물 전달을 가능하게 합니다 . (위에서부터: 메릴랜드 대학교/Wiley; 메릴랜드 대학교/Elsevier; 메릴랜드 대학교/ACS)
예를 들어, 표준 임상 검사가 없는 염증성 장 질환을 생각해 보겠습니다. 우리 연구팀은 희귀한 바이오마커 분자를 찾는 대신, 질병의 핵심 요인인 장 점막 투과성이라는 물리적 변화에 초점을 맞췄습니다. 우리는 전극에 미세한 전류를 흘려보내고 다양한 주파수에서 조직이 전류에 저항하거나 전도하는 방식을 기록하는(임피던스 분광법 이라는 기술) 캡슐을 설계하여 장 조직의 생체 임피던스를 측정 했습니다. 생체 내 사용에 적합하도록 전극을 얇고 전도성이 있으며 생체 적합성인 고분자로 코팅하여 전기적 노이즈를 줄이고 장벽과의 안정적인 접촉을 유지했습니다. 캡슐은 측정된 데이터를 무선으로 컴퓨터로 전송하여 연구를 완료합니다.
실험실 테스트에서 이 캡슐은 인상적인 성능을 보여주었으며, 샘플이 움직이는 중에도 적출한 돼지 조직에서 깨끗한 임피던스 측정값을 제공했습니다. 동물 연구에서는 장 세포 사이의 밀착 연접을 열어주는 칼슘 킬레이트제에 의해 유발되는 투과성 변화를 감지했습니다. 이러한 결과는 섭취 가능한 생체 임피던스 캡슐이 언젠가 임상의에게 장벽 기능과 염증을 직접적이고 최소 침습적인 방식으로 확인할 수 있는 도구를 제공할 수 있음을 시사합니다. 우리는 섭취형 진단법이 질병을 조기에 발견하고, 치료 효과를 확인하며, 장 건강의 기준을 설정하는 데 강력한 도구가 될 수 있다고 믿습니다.
적절한 장소와 시간에 약물 전달
표적 약물 전달은 경구용 캡슐의 가장 유망한 응용 분야 중 하나입니다. 염증성 장 질환 치료제와 같은 많은 위장관 질환 치료제 는 심각한 부작용을 일으켜 복용량과 치료 기간을 제한할 수 있습니다. 유망한 대안은 약물을 병변 조직에 직접 전달하는 것입니다. 이러한 국소적 접근 방식은 약물이 체내에 퍼지는 것을 줄이면서 표적 부위의 약물 농도를 높여 효능을 향상시키고 부작용을 최소화합니다. 핵심 과제는 병변 조직을 인식하고 약물을 신속하고 정확하게 전달할 수 있는 장치를 개발하는 것입니다.
다른 연구실들이 센싱 분야에서 큰 진전을 이루는 동안, 우리는 약물을 전달할 수 있는 장치를 설계하는 데 전력을 다해 왔습니다. 우리는 체내 사용에 필요한 엄격한 기준( 저전력 , 소형, 생체 적합성, 긴 유효기간) 을 충족하는 초소형 액추에이터(작은 움직이는 부품)를 개발했습니다.
저희가 개발한 일부 디자인은 부드럽고 유연한 고분자 소재의 "캔틸레버" 에 미세침 시스템을 부착하여, 장 조직에 손상을 주지 않으면서 약물을 방출할 수 있을 만큼 충분한 힘으로 캡슐에서 돌출되도록 설계되었습니다. 속이 빈 미세침은 약물을 장 내벽에 직접 주입할 수 있지만, 저희는 미세침을 약물 탑재체를 고정하는 데 사용하는 프로토타입도 개발했습니다. 이를 통해 캡슐은 더 많은 양의 약물을 정확한 위치에서 시간에 걸쳐 방출할 수 있습니다.
다른 실험 설계에서는 약물 주입 후 미세침 자체가 용해되도록 했습니다 . 또 다른 실험에서는 미세 규모 3D 프린팅을 사용하여 미세침의 구조를 맞춤화 하고 약물 방출 속도를 제어하여 느리고 지속적인 투여 또는 빠른 투여를 제공했습니다. 이 3D 프린팅 기술을 통해 점막을 관통하여 약물을 조직으로 서서히 확산시키는 단단한 미세침과, 캔틸레버가 조직에 밀착될 때 압축되어 약물을 한 번에 방출하는 부드러운 미세침을 제작했습니다.
캡슐을 이용한 조직 생검
조직 채취는 소화기내과에서 여전히 가장 신뢰할 수 있는 진단 도구로, 육안 검사나 혈액 검사로는 얻을 수 없는 심층적인 정보를 제공합니다. 캡슐은 이러한 점에서 독특한 가능성을 제시합니다. 캡슐은 위장관 전체를 이동할 수 있어 기존 방식보다 더 빈번하고 경제적인 생검을 가능하게 할 수 있습니다. 하지만 기술적 난관은 상당합니다. 샘플을 채취하려면 장치가 장의 단단하고 탄력 있는 근육을 절단할 만큼 상당한 기계적 힘을 발생시켜야 하며, 동시에 환자가 삼킬 수 있을 만큼 작아야 합니다.
이 문제를 해결하기 위해 다양한 전략이 모색되어 왔습니다. 비틀림 스프링은 많은 양의 에너지를 저장할 수 있지만, 작은 캡슐 내부에 장착하기 어렵습니다. 전기 구동 방식은 현재 캡슐 배터리가 제공할 수 있는 전력보다 더 많은 전력을 필요로 할 수 있습니다. 자기 구동 방식도 또 다른 선택지이지만, 부피가 큰 외부 장비가 필요하고 체내에서 캡슐의 위치를 정밀하게 추적해야 합니다.
저희 연구팀은 비틀림 스프링 원리를 기반으로 한 저전력 생검 시스템을 개발했습니다. 스프링을 압축한 후 접착제를 사용하여 캡슐 내부에 스프링을 고정하고, 이 고정 부분에 마이크로히터를 부착합니다. 장치에 무선으로 전류를 공급하면 마이크로히터가 고정 부분의 접착제를 녹여 스프링을 작동시킵니다. 조직 채취 도구에 날카로운 스크레이퍼나 생검 펀치(원통형 절단 도구)를 통합하여 스프링 작동 메커니즘과 결합하는 실험을 진행했습니다. 이러한 도구들을 사용하여 장 점막에서 조직을 채취할 수 있습니다. 레이저 직접 인쇄와 같은 첨단 3D 프린팅 기술을 활용하면 이러한 초소형 절단 도구에 미세한 마이크로 스케일 모서리를 만들어 장 점막을 더욱 쉽게 관통할 수 있도록 할 수 있습니다.
1.섭취 가능한 전자 캡슐은 소형 센서와 액추에이터를 사용하여 장 상태를 모니터링하고, 약물을 전달하며, 생체 샘플을 수집합니다. 2.내장 센서는 장 내부를 탐색할 수 있습니다. 예를 들어, 장 내벽의 생체 임피던스를 측정하여 질병을 감지하고 데이터를 무선으로 전송할 수 있습니다. 모든 삽화: 크리스 필폿 3.초소형 액추에이터는 장내 특정 부위에서 약물 방출을 유발하여 효과를 높이고 부작용을 최소화할 수 있습니다.
캡슐이 인체를 자연스럽게 통과할 때까지 샘플을 보관하고 보호하는 것은 매우 중요한 과제이며, 샘플을 보존하는 동시에 오염을 방지하기 위해 캡슐을 다시 밀봉해야 합니다. 저희가 설계한 방식 중 하나는 스프링의 잔류 장력을 이용하여 날이 달린 스크레이퍼를 회전시켜 샘플을 캡슐 안으로 끌어당기고, 효과적으로 뚜껑을 닫아 샘플을 내부에 밀봉하는 방식입니다.
경구용 의약품의 임상 사용으로 가는 길
앞으로 임상 적용 사례는 초기 단계 검진에서 나타날 것으로 예상됩니다. 전기화학적, 생체 임피던스 또는 시각적 신호를 감지할 수 있는 캡슐은 염증, 장 투과성 증가, 종양 또는 세균 과증식 등을 파악하여 의사가 모호한 복통과 같은 증상을 더 잘 이해하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 또한 위장관암 검진에도 적용될 수 있습니다. 이러한 필요성은 매우 시급합니다. 미국 암 협회에 따르면 2021년 기준으로 미국 성인 중 대장암 검진 대상자의 41%가 검진을 제때 받지 못했습니다. 더욱이 소장 선암과 같은 일부 질환의 경우 효과적인 검진 도구가 아직 존재하지 않습니다 . 캡슐 기술은 검진을 덜 침습적이고 더 쉽게 이용할 수 있도록 만들어 줄 수 있습니다.
물론, 경구용 캡슐에는 위험이 따릅니다. 출혈이나 천공 가능성과 같은 일반적인 내시경 검사의 위험은 여전히 존재하며, 캡슐은 새로운 합병증을 유발할 수 있습니다. 예를 들어, 캡슐이 위장관을 통과하는 도중에 걸리면 장폐색을 일으켜 내시경을 이용한 제거 또는 수술이 필요할 수 있습니다. 또한, 재료의 생체 적합성, 전자 장치의 안정적인 캡슐화 , 배터리의 안전한 작동 등 경구용 캡슐에 특유한 문제들은 임상 사용 전에 엄격한 테스트를 거쳐야 합니다.
섭취 가능한 기기용으로 설계된 미생물 기반 바이오 배터리는 한 시간 안에 물에 녹습니다. (사진: 최석헌/빙엄턴 대학교)
이러한 캡슐에 전력을 공급하는 것은 임상 적용을 위해 반드시 해결해야 할 중요한 과제입니다. 현재 대부분의 캡슐 내시경은 코인형 배터리(일반적으로 산화은 배터리)에 의존하는데, 이는 안전하고 에너지 밀도가 높은 전원이지만 캡슐 부피의 30~50%를 차지하는 경우가 많습니다. 따라서 연구자들은 무선 전력 전송부터 에너지 수확 시스템에 이르기까지 다양한 대안을 연구해 왔습니다. 뉴욕 주립대학교 빙엄턴 캠퍼스의 한 연구팀은 장내 영양소와 상호작용하는 유익균을 이용해 전기를 생성하는 미생물 연료 전지를 연구하고 있습니다. MIT 연구진은 돼지 위액을 이용해 간단한 배터리에 전력을 공급하는 실험을 진행했습니다. 저희 연구실에서는 위장관 전체에서 에너지를 수확하기 위한 압전 및 전기화학적 접근 방식을 연구하고 있습니다.
우리 팀의 다음 단계는 실용적인 접근 방식입니다. 소화기내과 전문의 및 동물과학 전문가와 협력하여 캡슐 프로토타입을 엄격한 생체 내 연구를 통해 검증하고, 실제 사용에 적합하도록 개선하는 것입니다. 이는 전자 장치의 크기를 줄이고, 전력 소비를 낮추며, 여러 기능을 하나의 다기능 장치에 통합하여 한 번의 시술로 감지, 샘플링 및 치료제 전달이 가능하도록 하는 것을 의미합니다. 궁극적으로 모든 후보 캡슐은 임상 사용을 위한 규제 승인을 받아야 하며, 이를 위해서는 특정 의료 응용 분야에 대한 안전성과 임상적 유효성을 엄격하게 입증해야 합니다.
더 넓은 관점에서 보면, 이는 혁신적인 변화를 가져올 수 있습니다. 삼킬 수 있는 캡슐은 진단과 치료를 병원 밖 환자의 집으로 옮겨놓을 수 있습니다. 내시경 시술에는 마취가 필요하지만 , 환자들은 삼킬 수 있는 전자 장치를 쉽고 일상적으로 복용할 수 있습니다. 예를 들어, 염증성 장 질환으로 암 발병 위험이 높은 환자를 생각해 보세요. 스마트 캡슐은 매년 암 검진을 수행하는 동시에 필요할 때 직접 약물을 투여할 수 있습니다.
시간이 흐르면서 이러한 시스템은 병변을 식별하고, 표적 생검을 수행하며, 나아가 샘플을 분석하고 현장에서 치료를 적용하는 반자율적인 도구로 발전할 것으로 예상됩니다. 이러한 비전을 실현하려면 마이크로일렉트로닉스 , 재료 과학 , 생의학 공학 분야의 최첨단 기술 발전이 필요하며 , 한때는 알약 크기에 담는 것이 불가능해 보였던 여러 기능을 결합해야 합니다. 이러한 장치들은 생물학과 기술의 경계가 허물어지고, 초소형 기계가 인체 내부를 이동하며 우리를 내부에서부터 치유하는 미래를 예고합니다.
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