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.

김영준 박사, 고문주 박사 총 2팀

‘이달의 KIST인상’ 수상

 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 11월 29일(수) KIST 서울 본원에서 우수한 연구업적을 달성한 총 2팀의 연구자들이 ‘이달의 KIST인상‘을 수상했다고 밝혔다.  KIST 바이오닉스연구단 김영준 박사팀은 성형외과 및 치과 수술 시 사전에 가상의 3차원 수술 시뮬레이션을 통해 최적의 수술방법을 모색하고 반영할 수 있는 기술을 개발했다. 김영준 박사팀은 3차원 가상 시뮬레이션을 통해 수술 가이드를 계획하고 3차원 분석을 통해 수술에 필요한 최적화된 수술도구를 3차원 프린팅 기법으로 제작할 수 있는 턱과 안면(악안면)의 ‘3차원 수술 계획 소프트웨어’ 기술을 개발했다. 본 기술은 향후 의료진들의 수술 성공률을 높이고 수술 절차를 획기적으로 개선할 수 있을 것으로 기대되며, 성형외과 및 치과분야 글로벌 제품으로 개발을 위해 관련기술 3건을 ㈜지티지웰니스, ㈜ARC코리아, ㈜에이팀벤처스에 각각 기술 이전했다.  KIST 전북분원 탄소융합소재연구센터 고문주 박사팀은 항공·우주, 자동차, 선박, 스포츠 용품 등 산업 전반에 걸쳐 다양하게 활용되고 탄소섬유복합소재(CFRP)의 가장 저렴하고, 친환경성을 확보한 재활용 기술을 개발했다. 탄소섬유복합소재(CFRP)는 강철보다 1/4 가볍고, 10배 강한 탄소섬유를 이용한 복합재료이다. 본 기술은 사용된 폐 탄소섬유복합소재에 물과 저렴한 첨가제만 넣고 낮은 온도와 압력에서 적은 에너지만으로 95% 이상의 탄소섬유를 회수할 수 있는 기술이며, 탄소섬유복합소재 뿐 아니라 분해시킨 에폭시 수지까지도 재활용 할 수 있는 완성된 재활용 기술이다. 이 기술은 향후 CFRP의 재활용뿐만 아니라 도료, 전자부품 기판 등 다양한 산업분야에 응용가능할 것으로 기대되며, 관련기술을 ㈜카텍에이치에 기술 이전했다.

고문주 박사 김영민 박사

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KIST, 제7회 KIST-KMSA Research Camp 개최
KIST와 미래의 의사들이 함께하는 3일간의 융합여행
 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 의공학연구소(소장 양은경)와 전국 의과대학/의학전문대학원학생협회(KMSA, Korean Medical Student Association)는 8월 3일(목)부터 5일(토)까지 3일간 서울 KIST 본원에서 제7회 KIST-KMSA Research Camp를 개최하여 전국 각지의 의학도들에게 과학기술 연구활동에 참여하여 의학과 공학의 융합을 몸소 체험해보는 특별한 기회를 제공한다.

의학도들의 큰 관심에 힘입어 7회째를 맞이하는 올해 Research Camp에는 KMSA 소속 의과대학·의전원 본과 학생 50여명이 참석하여 관심 연구분야*를 직접 선택하여 KIST 의공학연구소와 뇌과학연구소에서 직접 연구활동에 참여하게 된다. KIST 연구원들이 분야별 연구과제를 소개하고, 학생들은 연구주제에 대한 심층학습을 통해 새로운 연구 아이디어를 도출하는 실습 위주의 방식으로 진행된다. 
 * 7개 연구분야 : Medical IT, 재활로봇, 생체재료, 테라그노시스, 기초뇌과학, 뇌의약, 초소형 메디칼 디바이스

뿐만 아니라, 의사로서 우수 연구성과를 창출하고 있는 연구자들의 강연도 함께 진행된다. 경북대 의대교수를 역임했던 의공학연구소 김인산 책임연구원과 서울대 의대 강건욱 교수 등이 항암연구 주요동향, 임상의사로서의 연구경험 등 다양한 주제로 강연을 진행하고 학생들과 열띤 토론도 펼친다. KIST 양은경 의공학연구소장은 “이번 캠프를 통해 미래의 의사들인 의과 학생들이 기초‧임상의학 뿐만 아니라 의학과 공학이 융합된 '의공학 분야'에 대해 많은 관심을 갖게 될 것”으로 기대한다며, “본 캠프가 향후 의학과 공학의 긴밀한 협력관계 유지와 더불어 미래 의공학 연구발전에도 크게 기여할 것이다.”라고 밝혔다.

 

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DNA 나노스위치 개발로 물리적 개폐를 통해 단백질의 활성 조절
세포 활성 및 정교한 조작이 가능, 신개념 세포치료제 개발 기대

 

세포는 외부의 물리, 화학적 신호를 인식하여 그에 따른 신호 단백질의 활성을 끊임없이 가역*(可逆, reversible)적으로 조절하면서 항상성을 유지한다. 예를 들어, 세포 주기(cell cycle)에 관여하는 단백질이 활성화 되면 세포가 분열이 시작되고, 분열이 끝난 후엔 단백질의 활성이 억제되는데, 이러한 가역반응에 문제가 생겨 세포가 끊임없이 분열되면 암을 유발하게 된다.
*가역 : 화학반응에서 반응 조건에 따라 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는 반응

[그림 1] pH 에 감응하는 DNA 나노 케이지를 이용한 단백질의 활성 조절 모식도.
DNA 나노케이지 안쪽으로 단백질이 위치하도록 DNA 염기 가닥에 직접 공유 결합시켰다. DNA 나노케이지 정사면체의 한쪽 변을 pH에 민감한 염기서열로 구성하여, DNA 나노 케이지가 pH에 따라 개폐될 수 있게 설계함으로써, 단백질과 주변의 다른 단백질(항체)의 접근성 및 활성을 pH에 의해 가역적으로 조절할 수 있게 하였다.  

 

이렇듯 단백질의 활성을 인위적, 가역적으로 조절하면 세포 내에서 일어나는 대부분의 생명현상을 원하는 대로 조절할 수 있는데, 기존에 쓰이던 가장 대표적인 방법은 외부의 물리, 화학적 자극(pH, 온도, 빛 등)에 반응할 수 있는 반응기를 원하는 단백질 내부에 삽입하는 것이나, 해당 단백질의 구조와 기능을 면밀히 파악하고 있어야만 가능하다는 한계가 있다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 의공학연구소 테라그노시스연구단 김소연 박사팀은 조절하고자 하는 단백질의 구조 및 기능과 무관하게 범용적으로 사용될 수 있는 나노스위치를 개발했다. 연구진은 생체 내 DNA 나노구조체를 케이지(cage)로 이용하고, 단백질의 활성을 인위적, 가역적, 반복적으로 조절하는데 성공했다고 밝혔다.

[그림 2] DNA 나노케이지의 pH 감응성 측정.
(A) pH가 낮아져 용액이 산성을 띄게 되면 DNA 나노케이지 정사면체의 한 변을 구성하는 DNA 염기 서열 특성에 i-motif 구조가 생기면서 변이 풀리게 된다.
(B) pH에 따라 DNA 나노케이지의 한쪽 변이 개폐됨을 확인하기 위해, DNA 나노케이지의 양 꼭지점에 해당하는 위치에 두 개의 형광 염료를 표지하고, 두 형광 염료의 거리를 형광 공명 에너지 전달 현상 (FRET)으로 측정하였다. pH가 낮아져 용액이 산성을 띄게 되면 i-motif 구조가 생기면서 두 형광 염료의 거리가 짧아지고, 형광 공명 에너지 전달 현상이 극대화됨을 보여준다.

 

[그림 3] DNA 나노케이지를 이용한 단백질의 접근성 조절.
(A) DNA 나노케이지 밖의 항체가 DNA 나노케이지에 갇혀있는 단백질 (RNase A, RA)과 반응할 수 있는지 여부를 확인하기 위한 단분자 풀다운 방법의 모식도. 유리 표면에 부착된 RA 특이적 항체에 의해 풀다운 된 단백질의 개수를 세기 위하여, RA 혹은 DNA 나노 케이지에 Cy3 형광 염료를 표지하였다.
(B) 하얀색으로 형광을 나타내는 점들이 유리표면에 있는 항체에 의해 포획된 단백질을 나타낸다. DNA 나노케이지 안에 단백질이 위치하는 경우 (Td-IN-RA)에 용액의 pH가 높아져 산성에서 염기성으로 바뀌게 되면 DNA 케이지 안에 존재하는 단백질이 갇히게 되면서 유리판 표면위의 항체에 의해 포획되지 않으나, pH가 다시 산성으로 바뀌게 되면 DNA 케이지가 열리게 되면서 유리표면의 항체에 의해 포획됨을 나타낸다.

 

KIST 김소연 박사팀은 원하는 단백질이 정사면체 모양의 DNA 나노케이지(DNA nano cage) 안쪽에 위치하도록 DNA 염기서열을 구성하였고, 정사면체의 한 변이 외부 자극의 일종인 산도(pH) 변화에 의해 가역적으로 개폐될 수 있도록 설계함으로써, pH 변화에 따른 단백질의 외부 접근성을 조절하였다. 기존의 방법은 주로 나노 입자를 케이지로 이용하여 단백질을 가두어 두었다가 특정 신호에 의해 단백질을 물리적으로 방출하는 방식이여서, 방출된 단백질을 다시 가두는 역반응을 유도하기 어려웠다. 즉, 가역 반응을 모사할 수 없어 반복적으로 활성을 조절하는 것이 쉽지 않았다. 그러나, 이번 연구진이 개발한 나노스위치의 경우 단백질을 나노케이지 내부에 고정시킴으로써 나노케이지의 개폐를 통해 단백질의 활성을 가역적으로 조절할 수 있었다. 연구진은 개발한 DNA 나노케이지에 단백질(RNase A*)을 가두어 놓은 경우, 외부 용액에 있는 다른 단백질과의 접근성 및 RNase A 단백질의 활성이 모두 억제되었으나, 산도(pH)를 바꾸어 나노케이지를 열게 되면 억제되었던 접근성 및 단백질의 활성이 모두 증가되는 것을 확인하였다. 특히 pH를 연속적으로 바꾸어 가며 단백질의 활성을 측정한 결과, 반복적인 활성 조절이 가능함을 밝혀냈다.  
**RNAse A : RNA를 분해하는 효소 단백질, pH(4.0-9.0)와 온도(4-70 ℃)의 변화와 무관하게 활성을 유지하는 특성을 지님. 주로 암세포 내 RNA를 분해함으로써 암세포를 제거하는 용도로 사용

[그림 4] DNA 나노케이지를 이용한 단백질 활성 조절 및 가역성 확인.
(A) DNA 나노케이지 안에 단백질이 위치하는 경우, pH를 높여 나노케이지를 닫게 되면 (초록색 별 그래프) 단백질의 활성이 저해됨을 확인하였다. (B) 단백질의 활성을 여러번에 걸처 가역적으로 조절 가능한지 확인하기 위해 pH를 연속적으로 바꿔가면서 DNA 나노케이지 안에 있는 단백질의 활성을 측정하였다. 연속적으로 pH를 3번 이상 변화시켜도 단백질의 활성이 가역적으로 조절될 수 있음을 확인하였다.

 

KIST 김소연 박사는 “본 연구로 개발된 DNA 나노스위치를 단분자 수준에서 작동하면, 기존에 알려지지 않은 단백질의 생물리학적 특성을 규명하는 연구에도 적용될 수 있다.”고 말하며, “개발된 DNA 나노케이지는 세포 내 전달체로도 사용이 가능하여, 세포의 움직임, 주기(cell cycle), 나아가 줄기 세포의 타입(운명)까지도 정교하게 조작하는 방법으로 응용이 가능하여 향후 신개념 세포 치료제 개발에 도움을 줄 것으로 기대한다.”고 밝혔다. 

 

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업과 한국연구재단 이공분야 기초연구사업 등의 지원을 받아 수행되었으며, 연구결과는 미국 화학회에서 발행되는 나노 분야의 국제학술지인  ‘ACS Nano’(IF = 13.942)에  8월 28일(월) 온라인 게재되었다.

 

 * (논문명) Reversible Regulation of Enzyme Activity by pH-Responsive Encapsulation in DNA Nanocages
   - (제1저자)  김성호 학생 (통합과정),  UST KIST 스쿨 바이오-메디컬 융합 전공,
   - (교신저자) 한국과학기술연구원 김소연 박사

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KIST, 중앙보훈병원, 서울대병원, 한국전기연구원, (주)인더스마트 MOU 체결
스마트 로봇 의족 개발을 위한 각 기관 실무진의 상호 업무 추진 토대 마련

 

  한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)과 중앙보훈병원(병원장 이정열), 서울대학교병원(병원장 서창석), 한국전기연구원(KERI, 원장 박경엽),   ㈜인더스마트(대표이사 강욱)은 3월 10일(금) 오전 11시 서울 강동구 중앙보훈병원에서 ‘스마트 로봇 의족’ 개발을 위한 각 기관 간 연구·개발 정보 및 인력 교류, 시설 및 장비의 공동 활용과 공동정책 추진을 위한 상호 협력 협약식을 체결했다. 이 협약에 따라 5개 기관은 각 기관 실무진의 상호업무 추진을 통해 의료기기 개발, 전문 인력 교류, 임상시험을 통한 스마트 로봇 의족을 상용화할 계획이다.

  이번 협약으로 최첨단 스마트 로봇 의족 개발을 통해 국제적 수준의 기술력을 확보하고, 국내 절단 장애인 및 국가 유공자에 대한 스마트 의족 보급 확대 및 독자적인 A/S시스템을 구축할 것으로 전망하고 있다.  KIST는 기술성 검토 및 벤치마킹 등 제품화 계획을 수립할 수 있는 R&D원천기술개발에 주력할 예정이다.

 

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[MBC] <NEWS> '신체약점 보완' 첨단과학,

무병장수 혁명 이끈다 

 

인류의 오래된 꿈 중 하나가 무병장수인데, 과학이 과연 해답을 줄 수 있을까요?

뉴스데스크 기획, 미래를 이끌 첨단과학. 오늘은 마지막 순서로 인간의 신체적 결함을 보완·증강해주고 더 나아가 완벽하게 건강한 신체를 가능하게 하는 최신 연구들을 소개합니다[...]

 

[김래현/한국과학기술연구원 박사]
"의족 대신에 로봇팔, 로봇다리를 장착했을 때 우리 생각만으로 제어할 수 있다고 하면 정말 사이보그 완성이 될 수 있는 그런 단초를 제공한다고…." [...]

 

[정영미/한국과학기술연구원 생체재료연구단 박사]
"내 맞춤형 인공 신장·심장을 만들어서 이식을 할 수 있는 시기가 한 10년 뒤쯤이면 가능성을 시도해 볼 수 있습니다." [...]

 

[MBC뉴스 방송보기]

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