4차 산업혁명과 디지털 헬스케어

 

김영준 박사

4차 산업혁명의 광풍이 거세다. 매일같이 언론 매체와 정부 시책 발표에서 4차 산업혁명이라는 단어가 빠짐없이 등장한다. 하지만 정작 관련 전문가들은 이렇게 너도나도 4차 산업혁명을 떠드는 세태에 거부감이 많다. 억지스러운 정부 정책을 쫓아 몰려다니는 것을 우려하며 소위 ‘사짜 산업혁명’이라는 우스갯소리도 나오고 있다. 필자가 최근에 출판한 프로그래밍 관련 교재의 표지에도 ‘4차 산업혁명의 핵심기술’이라는 문구가 민망하게도 큼지막하게 적혀 있다. 출판사 관계자에게 그 문구를 제발 빼 달라고 하였더니 마케팅 차원에서 절대 안 된다고 한다. 이렇게 용어에 대한 논란의 여지가 있지만 IT 기술을 의료 분야에 적용하는 ‘디지털 헬스케어’ 기술이 새로운 변화의 시대에 신성장 동력으로 떠오르고 있다. 디지털 헬스케어는 의료 분야와 인공지능, 빅데이터, 3차원 프린팅, 가상·증강현실, 사물 인터넷, 로봇 등의 IT 기술을 융합하는 것이다. 

 

의료 분야는 보수적인 분야임에도 불구하고 IT 기술과 결합해 초지능성, 초연결성으로 대표되는 4차 산업혁명의 핵심 분야로 부상하고 있다. 빅데이터 기반의 기계학습 인공지능 기술을 획기적으로 개선한 딥러닝(심층강화학습) 기술이 가장 활발하게 적용되기 시작한 분야 중 하나가 바로 의료다. 암 진단, 폐 영상 분석, 심장 질환 예측 등과 같이 의료에서의 중요 활동인 진단, 치료, 예후 분석에 활용하려는 시도가 다각도로 이뤄지고 있다. 이외에도 3차원 프린팅과 가상·증강현실 등 3차원 영상 기술도 의료에 활발하게 응용되고 있다. 현재의 수술 로봇 분야에서도 신경외과나 안과, 심장외과 등에 사용될 수 있는 마이크로 미세 수술 로봇이나 실시간 환부 추적 기능이 추가된 방사선 치료 로봇 기술이 계속 개발되고 있다. 최근, 핀란드는 국민 기업 노키아의 몰락 뒤 디지털 헬스케어에 주목하여 정부 차원의 대대적인 지원을 받으며 의료 복지와 연계함으로써 50억 유로 규모(약 7조원)로 신시장을 개척했다. 세계에서 가장 까다롭기로 유명한 미국 식품의약국(FDA)에서도 지난 7월 디지털 헬스케어 제도 정비와 전문가 양성 등의 내용을 담은 ‘디지털 헬스케어 혁신 계획’을 발표해 디지털 헬스케어 분야 규제 완화에 나섰다. 일본은 수술 전 모의 수술에 대한 효과를 인정해 보험수가가 책정될 정도로 정책적 지원을 적극하고 있다.

 

이러한 관점에서, 우리나라 정부에서 최근 발표한 신산업·신기술 분야 ‘포괄적 네거티브 규제’ 개혁, ‘규제 샌드박스(영국의 핀테크 육성 정책과 같이 규제를 완화하고 문제가 있으면 사후 규제하는 방식)’ 정책은 환영하는 바이며, 디지털 헬스 분야에 우선적으로 적극 적용되어야 한다. 예를 들면, 개인 식별 정보가 암호화된 환자 정보의 빅데이터 구축을 위한 다 기관 협력을 허용하고, 고난이도 고위험 수술에 대한 3D 가상 시뮬레이션 혹은 3D 프린팅 기반 수술의 의료수가 반영을 제안한다. 우리나라는 세계 최고 수준의 IT 기술력과 선진 의료 시스템 및 의료진을 보유하고 있다. 디지털 헬스케어 산업이야말로 기존 선진국 및 급부상하고 있는 중국과 맞설 수 있는 차세대 IT 시대 신성장 동력이 될 수 있다. ‘4차 산업혁명’이라는 용어에 연연하지 말고 선제적 규제 완화, 입증된 신기술의 조속한 의료수가 반영, 적극적 관련 산업 육성 정책을 통해 디지털 헬스케어 강국으로 자리 잡을 수 있는 묘안을 함께 마련해야 할 시점이다.

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  1. Cho 2018.01.18 11:21 신고  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    저자가 생체재료연구단 김영민 박사라고 나왔는데, 사진은 김영준 박사로 나왔습니다.
    수정해야 할 거 같습니다.

구종민 박사팀, 송수창 박사팀 ‘이달의 KIST인상’ 수상

 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 10월 27일(금) KIST 서울 본원에서 우수한 연구업적을 인정받은 총 2팀의 연구자들이 ‘이달의 KIST인상‘을 수상했다고 밝혔다.  KIST 미래융합기술연구본부 물질구조제어연구센터 구종민 박사팀은 열팽창성 고분자 입자를 이용, 충진(Packing)과 재밍(Jamming) 공정 구현을 통해 마이크로 중공입자의 형태 및 밀도를 응용 용도에 따라 맞춤형으로 제조할 수 있는 기술을 개발했다. 이 기술은 기존 기술이 가진 용도에 따른 형태 및 밀도의 제어가 어렵다는 단점을 극복하였다. 마이크로 입자들은 전자파 차폐, 기능성 필러 소재나 지능형 약물 전달 및 질병 진단용 바이오 소재 등에 다양하게 응용될 수 있다. 또한 이 연구는 국제학술지인 네이처 커뮤니케이션즈 9월호에 게재되었다. KIST 의공학연구소 생체재료연구단 송수창 박사팀은 외상에 의한 척수손상 후 발생되는 물혹의 형성을 억제하여 2차 손상으로부터 신경세포들을 보호하고 척수손상 재생을 돕는 주사형 하이드로젤을 개발하였다. 개발된 주입형 하이드로젤은 면역세포를 젤 안에 머물게 하여 물혹의 생성을 억제함으로써 이로부터 발생하는 척수 손상의 보호 및 재생 효과를 보이는 원리다. 해당 연구는 국제학술지인 네이처 커뮤니케이션즈 9월호에 게재되었으며 송수창 박사팀은 이러한 공적들을 인정받아 수상하게 되었다. 이달의 KIST인상은 원의 발전에 가장 창조적, 혁신적으로 기여한 우수 직원을 발굴하여 포상심의위원회 심의를 거쳐 최종 선정된다.

 

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소변 내 융합유전자를 통증 없이 고감도로 검출하는 비침습 기술 개발

소변을 활용한 암 진단용 유전자 검지 및 맞춤형 진단 연구에 기여

 

최근 국내 연구진이 소량의 소변만으로 전립선암을 진단할 수 있는 새로운 방법을 개발했다고 밝혔다. 혈액 검사와 같은 기존 진단법은 침습적 검사법으로 통증과 부정확함이 단점으로 지적되었던 반면, 이 기술은 소변검사와 같은 비침습적인 방법으로 빠르고 정확하게 전립선 암을 진단할 수 있어 향후 다양한 비침습적 진단법 개발에 도움이 될 전망이다

 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 의공학연구소 생체재료연구단 이관희 박사팀은 서울아산병원 비뇨기과 김청수 교수팀, 미국 존스홉킨스 대학 Peter Searson 교수팀과의 공동연구를 통해, 전립선암 환자의 소변에 극미량으로 존재하는 다중의 융합유전자를 자성입자와 금 나노입자를 이용해 검출하는 데 성공했다. 연구진은 본 연구를 통해 침습적 기술을 주로 사용하는 기존 진단법의 한계를 극복함과 동시에 보다 정확한 전립선암 진단이 가능할 것으로 내다봤다. 최근 학계의 발표에 따르면, 한국인의 악성 전립선암 발병 비율이 다른 나라에 비해 높은 것으로 나타났다. 그 원인으로 조기발견의 어려움과 기존 검사법의 부정확함이 지목되고 있는데, 암은 악성일수록 전이가 빠르게 일어나고 치료가 어려워져 이를 극복하기 위한 연구의 중요성이 강조되고 있다. 기존 방식은 혈액 검사를 통해 전립선 특이항원(PSA, Prostate Specific Antigen) 농도를 확인하고 일정 농도 이상인 경우 정밀 조직 검사를 통해 암 발생 여부를 확진하는 방식이다. 하지만 혈액 내 PSA 농도가 호르몬 변화에 따라 영향을 받을 수 있으며 암과 관련한 직접적인 정보를 전달하지 못하는 문제가 있었고, 또한 혈액 검사법의 경우 병원을 방문해야만 하는 번거로움이 있어 검진률이 매우 낮아지는 문제가 있었다.

 

본 연구팀은 이러한 문제점들을 해결하기 위해 시료 채취가 간편하고 보다 정확하게 전립선암 진단이 가능한 새로운 검지물질 진단법을 개발하였다. 연구진은 전립선암에서 특이적으로 발현된다고 알려져 있는 융합 유전자의 경우 암의 진행 단계에 따라 그 종류가 달라진다는 점에 착안해 동시 다중검지를 위해 길이가 서로 다른 바코드 DNA를 사용하였다. 바코드 DNA는 상점에서 상품의 정보를 저장하고 있는 바코드처럼 타깃 융합유전자의 정보를 알려주는 DNA이다. 이러한 바코드 DNA를 금 나노입자에 부착 시켜 신호를 증폭 시키고 마지막 검지 단계에서 물질이 전기장에서 이동하는 전기영동법(Electrophoresis)을 통해 바코드 DNA를 길이에 따라 분리시키게 되면 소변 내 존재하는 융합 유전자를 고감도로 동시에 3종 이상 검사할 수 있는 기술을 개발했다.

<그림 1>금 나노입자를 이용한 융합유전자 검지 모식도

KIST 이관희 박사는 본 연구로 개발된 바이오 바코드 방법은 10cc 정도의 소량의 소변만으로 극미량으로 존재하는 융합 유전자를 검지할 수 있다. 소변을 통한 검지법인 만큼 환자에게 통증 유발이 없어 검사법에 대한 거부감을 줄일 수 있다. 또한 이 검진 방법에 적용된 기술은 다양한 질병 특이 유전자를 검지하는 진단 분야 및 질병 예후 예측을 위한 연구에 적용될 수 있다고 말했다.

<그림 2> 환자 소변 내 존재하는 융합유전자 검지 결과 및 다양성

  본 연구는 미래창조과학부(장관 최양희) 바이오의료기술개발사업의 전립선암의 비침습 자가진단을 위한 소변 모니터링 센서 개발과제(세부과제책임자, KIST 이관희)로 수행되었으며, 연구결과는 생체재료 분야의 국제학술지 Biomaterials’(IF:8.387) 최신호에 게재되었다.

 

* (논문명) High throughput differential identification of TMPRSS2-ERG fusion genes in prostate cancer patient urine

               - (1저자) 이효진 박사, 한국과학기술연구원 Post-Doc. (서울대학교 박사)

               - (교신저자) 한국과학기술연구원 이관희 박사

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담배 피우는 로봇 개발…폐 질환 정밀 분석 활용

 

미국 연구팀이 흡연이 폐에 미치는 영향을 연구하기 위해 사람처럼 담배를 피울 수 있는 로봇을 개발했다고 합니다. 동물 실험으로만 얻을 수 있는 결과는 한계가 있을 수 있는데, 이번에 개발된 장치로 그러한 한계점을 보완하는 데 도움을 줄 것이라고 전문가들은 내다 봤는데요. KIST 생체재료연구단 임혜인 박사님 인터뷰가 같이 방송되었습니다. 그 내용 아래 링크에서 확인해 보세요

 

[YTN 사이언스 방송보기]

 

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한경진 교수, 정형외과학회 학술상 수상

'생분해성 금속 나사못' 임상적 유용성 연구 성과 인정

 

몸속에서 녹는 생분해성 금속 재료들에 대해 들어보셨나요? KIST 생체재료연구단의 석현광, 한형섭교수가 연구하였고 최근 임강실험을 통해 국민대 이지욱 교수가 조직학적인 분석을 완성했습니다. 이와 관련항 한경진 아주대병원 교수도 이 분야에 대한 연구로 대한정형외과학회 학술상 기초부문 대상을 받으셨습니다.  해당 내용이 궁금하시다면 아래 링크를 참고하세요

 

[의학신문 기사보기]

 

[생분해성 금속재료 관련 글 보기]

 

 

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국경을 초월한 연구! 박귀덕 박사 연구팀
- 한국과학기술연구원

 

한국 교수와 다국적 학생들이 만나 뛰어난 연구 성과를 이뤄내고 있다.

손상된 인체조직을 되돌리는 '재생의 비밀'을 연구하라!

한국과학기술연구원의 박귀덕 박사 연구팀!

[YTN Science 기사 더 보기]

 

 

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나노구멍으로 세포 조절, 기능성 강화된 생체재료 제작

 

 - KIST, 레이저공정을 이용한 나노표면으로 세포의 부착, 이동방향 조절
 - 생체재료 표면에서의 세포 반응 규명, 차세대 기능성 인체이식 의료기기 개발에 적용

 

 

생체이식 소재연구는 몸속에서 안전하고, 생체에 안정적으로 이식이 가능해야하며, 주변 조직에 기능적으로 어떤 영향을 미치는 지가 중요한 이슈이다. 국제 연구진이 특수 레이저를 이용하여 생체이식 소재의 표면을 조절해 기능성을 강화할 수 있는 세포 조절 나노패터닝 기술을 개발했다.

 

기능성 생체재료는 인체에서 분해되는 금속이나 고분자, 약물 전달을 위한 고분자 코팅 등에 한정되어 사용할 수 있는 소재가 제한적이다. 생체 이식용으로 가장 많이 활용되고 있는 타이타늄과 같은 소재는 우수한 기계적 강도를 갖고 있지만, 인체 조직의 활성과는 관련이 없는 소재이다.

 

연구진이 개발한 레이저 패터닝 기술을 활용하면 다양한 생체재료 소재의 표면을 기능화하여, 인체에 활성을 가지지 않는 소재들도 생체기능성 소재로서 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 개발기술을 활용하면 생체재료의 부작용을 최소화하는 인공수정체와 혈관스텐트, 부러진 뼈를 고정할 뿐 아니라 뼈재생까지 촉진하는 임플란트 등의 개발이 한층 앞당겨질 전망이다.

 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 의공학연구소 생체재료연구단 전호정 박사는 미국 버클리 캘리포니아 주립대(UC Berkeley) 기계공학과 코스타스 그리고로폴러스(Costas Grigoropoulos) 교수와 재료공학과 케빈 힐리(Kevin Healy) 교수팀과의 공동연구를 통해 펨토초 레이저를 이용하여 만든 1마이크로미터(백만분의 1미터) 미만의 나노구멍 패턴을 이용하여 재료 표면에서의 세포 성장과 운동을 조절하는 메커니즘을 규명하는데 성공했다고 밝혔다.

 

우리 몸을 구성하는 기본 단위인 세포는 혈액 속에 떠다니는 혈관 세포를 제외하고는 대부분 이웃하고 있는 세포나 세포주변을 감싸고 있는 조직의 표면에 부착하여 생존하거나 기능을 발현하게 된다. 임플란트와 같은 생체재료를 이식했을때도 마찬가지로 세포가 와서 붙게 된다. 이때 세포는 사람의 발과 비슷한 역할을 하는 초점 접착역(Focal Adhesion)의 형태를 통해 생체재료 표면에 부착되고 이를 통하여 외부의 물리, 화학적 신호를 받아들인다.

 

연구진은 생체 재료 표면에 나노구멍을 만들고 그 크기와 간격을 바꾸어 실험한 결과 나노구멍이 세포의 초점접착역에 영향을 미칠 수 있다는 점을 발견했다. 연구진은 단일 레이저 펄스의 폭이 100 펨토초(10-15초)인 레이저를 이용하여 직경이 500에서 1000 나노미터이면서 깊이가 500 나노미터인 나노구멍으로 이루어진 표면을 제작하였다. 나노구멍 간격을 조정하면 세포가 붙지 않는 표면을 만들거나, 세포를 특정한 장소로 몰아서 세포들이 띠모양, 원모양 등으로 그룹을 형성하도록 유도할 수 있다. 이러한 재료표면 제어를 통해 임플란트 표면에 세포가 붙지 않게 하거나 선택적으로 세포를 붙게 할 수 있다. 또한 패턴으로 인한 물리적 자극으로 임플란트 주변조직의 재생을 억제하거나 촉진시킬 수가 있다.

 

세포는 살아있는 생명체로서 주변 환경에 반응하여 스스로 살기에 더 적합한 환경 혹은 자신의 역할이 필요한 곳으로 이동하는 경향을 보인다. 세포는 일반적으로 초점접착역의 부착에 관여하는 단백질의 농도가 높고, 부착한 표면이 더 단단한 곳으로 이동한다고 알려져 있다. 연구진이 개발한 방법은 기존에 알려져 있는 세포 이동 조절인자 외에 레이저로 나노구멍을 만들어 세포의 이동 방향을 조절하는 기술로, 기존 기술과 달리 실제 인체에 삽입하는 임플란트 표면에 적용하기가 용이하여 기능성 임플란트의 상용화에 쉽게 적용될 수 있다.

 

또한, 연구진이 개발한 나노구멍 패터닝 기술은 펄스폭이 아주 작은 특수한 펨토초 레이저를 사용하기 때문에 고분자, 세라믹, 금속 표면에 모두 적용이 가능하며, 유해한 화학물질 사용없이 나노구멍의 크기를 조절해 인체에서 안정적이라는 장점이 있다. 인공수정체나 혈관스텐트와 같이 세포의 과다 증식으로 후속 질환이 발생하는 소재에 적용하여 세포 증식을 억제하는 기능성 생체재료를 만들 수 있고, 뼈 고정용 임플란트 표면에 활용하여 뼈 재생을 촉진시킬 수 있는 기능화된 의료기기 제작도 가능하다. 

 

공동 제 1저자인 KIST 전호정 박사는 “개발한 기술로 다양한 차세대 기능성 인체이식 의료기기 개발이 가능할 것으로 보인다”며, “세포의 부착 특성은 세포의 분화 및 증식과도 연관이 높기 때문에 후속연구를 통해  줄기세포의 분화능력은 유지한 채, 세포의 양을 늘리는 배양 기술이 필요한 줄기세포 치료제 등의 생산에도 활용이 가능하다.”고 밝혔다.

 

 

<그림자료>

 

본 연구는 미국 NIH(National Institute of Health, 국립보건원) 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 네이처 머티어리얼즈 (Nature Materials)에 7월 27(월)일자 온라인판에 게재되었다.


 *(논문명) Directing cell migration and organization via nanocrater-patterned cell-repellent interfaces
      - (공동 제1저자) (한국과학기술연구원) 전호정 박사, (UC Berkeley) 구상모 박사과정
      - (공동 교신저자) (UC Berkeley) Costas Grigoropoulos 교수, (UC Berkeley) Kevin Healy 교수

 

 

보도

- 조선비즈 : 국내연구진, 임플란트에 세포 붙이거나 떼는 방법 찾아

- 동아사이언스 : 부작용 없는 임플란트 재료 나온다

- 디지털타임스 `나노구멍`으로 세포 조절하는 기능성 생체재료 만든다

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