고려대학교 바이오의공학부

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  • Where Engineering Meets Medical Science!바이오의공학부 School of Biomedical Engineering

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학부 소식

2020.12.01 구자현 교수팀, 韓-美 공동연구로 신경치료 후, 몸속에서 스스로 녹아 사라지는 전자의료기기 개발
韓-美 공동연구로 신경재생 및 재활을 위한 새로운 전기치료법 개발 신경치료 후, 몸속에서 스스로 녹아 사라지는 전자의료기기 개발 고려대 구자현 교수팀, 국제 저명 학술지 Nature Communications 논문 게재 중증 신경손상 환자의 전기자극 치료기간을 늘림으로써 빠른 신경재생 및 재활 기대 ▲ 왼쪽부터 구자현 고려대 교수(공동 1저자), 최연식 노스웨스턴대 박사(공동 1저자), John A. Rogers 노스웨스턴대 교수(교신저자), Song Li UCLA 교수(교신저자) 한국과 미국의 공동연구를 통해 손상된 신경을 전기치료 후, 몸속에서 스스로 녹아 사라지는 생분해성 전자의료기기가 개발됐다. 보건과학대학 바이오의공학부 구자현 교수연구팀과 미국 노스웨스턴 대학 (Northwestern University) 최연식 박사의 공동연구를 통해 절단된 말초신경을 전기치료하고 사용이 끝난 후에 몸에서 스스로 분해되어 사라지는 새로운 전기치료법을 개발했다. 이번 연구결과는 11월 25일 국제 저명 학술지 Nature Communications, IF=12.121)에 온라인 게재됐다. 이번 연구는 한국연구재단 기초연구사업 기본연구 (NRF-2020R1F1A1068083) 지원으로 성과를 이루었다. 말초신경 손상 우리 주변에서 교통사고, 산업재해 등 일상 중에 흔히 발생하는 말초 신경손상은 미국에서는 연간 20만 건, 국내에서는 연간 만건 이상 보고되는 흔한 부상이다. 말초신경이 손상되면 자연적으로 어느 정도 회복이 가능하지만, 재생속도가 느려 신경재생이 불가능해지거나 부상 정도에 따라 영구적인 근육장애를 유발하게 된다. 재생 및 재활중에 신경재생속도가 근육회복률 및 후유증을 결정하는 중요한 요소이며, 신경재생을 가속하기 위한 연구 노력이 진행되고 있다. 특히, 최근에는 전기자극을 통해 신경재생을 촉진 시키는 생분해성 전자약의 효능이 주목받고 있다. 전자약이란 전기신호를 통해 체내의 장기, 조직, 신경 등을 자극하여 세포의 활성도를 향상시켜 재생속도를 향상시키거나 생체반응이 활발히 이뤄지도록 치료하는 기술을 포함한다. 전자약을 통해 손상된 신경을 전기자극하면 신경세포가 활성화되며 축색돌기의 분화가 가속되어 신경재생의 속도가 빨라져 치료효과를 극대화할 수 있는 것으로 알려져 있다. 특히, 생분해성 전자약은 체내에서 삽입되어 무선으로 작동할 뿐만 아니라 치료후에 신경을 감싼 전극이 주변 조직에 의해 안전하게 분해되어 흡수되기 때문에, 사용 후 전자약을 제거하는 과정에서 발생하는 신경의 2차 손상을 근본적으로 해결하는 획기적인 기술로, 본 연구팀이 2018년 세계 최초로 개발한 기술이다. 연구진은 생분해성 전자약의 전극을 생체조직과 유사하게 늘어나는 구조로 설계 및 제작하여, 전자약의 수명을 기존 6일에서 2주 이상 향상시켜, 새로운 전기자극 치료법을 가능하게 하였다. 기존에는 척수에 가까운 근부위(proximal) 신경에만 전기자극 효과가 있다고 알려져 왔으나, 획기적인 전자약 수명연장으로 원부위(distal) 신경에 전기자극이 가능해졌으며, 원부위에도 효과가 있음을 세계 최초로 검증하여, 신경재생 분야의 주목을 받고 있다. 연구진은 생분해성 무선 전자약 기술이 말초신경의 치료뿐만 아니라 외상성 뇌손상 및 척추손상 등 중추신경의 재활과 부정맥 치료 등을 위한 단기 심장박동기에도 응용이 가능할 것으로 기대하고 있다. 구자현 교수는 세계 최초로 생분해성 전자약을 개발하여 2018년 Nature Medicine 지에 논문을 게재한 뒤 약 2년 만에 신경 전기치료기술로서의 의료소자를 성공적으로 제시함으로써 생분해성 전자소자의 시장에서 한국 연구진이 중추적인 역할을 수행할 것이라고 기대하고 있다. 구자현 고려대 교수는 “생분해성 전자의료기술과 무선통신이 결합된 의료기기를 개발함으로써, 환자 맞춤형 신경치료 시대가 도래할 것”이라며 “특히, 기존의 획일화된 전기치료법에서 벗어나 복합 전기치료가 가능해져 전기치료의 효과를 극대화 할 수 있다.”고 말했다. 개발된 디바이스의 특징 이번 연구개발한 생분해성 전기자극 의료기기는 모든 구성성분이 체내에서 안전하게 분해되고 흡수되어 체내에 축적되지 않고, 신장을 통해 몸밖으로 배출되는 생체적합한 의료기기이다. 그 크기는 약 1cm X 1cm의 동전 크기정도이다. 특히, 전기신호를 손상된 신경에 전달함으로써, 신경재생 효과가 탁월한 디바이스다. 이번 연구에서 기존에 수일밖에 사용하지 못한 디바이스의 수명을 2배 이상 늘림으로써, 중증 신경손상 환자에게도 전기자극을 지속적으로 전달할 수 있는 길이 열렸다. 기술의 핵심은 신경주변의 근육조직과 매우 유사한 신축성을 지닌 전극 구조와 폴리머의 적층구조에서 찾을 수 있는데, 움직임이 많은 쥐의 다리신경에서 2주 이상 그 효능을 검증함으로써, 새로운 신경 전기치료 시대가 열릴 것이라 기대한다. 새롭게 시도된 전기치료의 특징 기존에는 근위부(proximal) 신경에 짧게 1시간 전기자극을 가함으로써, 신경재생을 유도해왔으나, 장수명 생분해성 무선전기자극 의료기기의 개발로 원위부(distal) 신경에도 전기자극이 가능해졌다. 원위부(distal) 신경자극의 효과를 보기 위해서는 지속적인 원위부(distal) 전기자극이 필요한데, 이번에 개발된 장수명 전기자극 의료기기의 개발로 원위부(distal) 전기자극 치료법이 신경재생 및 근육 재활에 도움이 된다는 새로운 결과를 제시했다. 이번 연구에서 제시한 원위부(distal) 전기치료 효과는 한국 연구진이 세계 최초로 제시한 것에 그 의의가 있다. [ 용 어 설 명 ] ∘ 생분해성 물질 - 체내에서 분해되어 몸의 영양소로 흡수되거나 체외로 배출되어 몸에 잔존하지 않는 생체친화 물질. ∘ 전자약 - 전기적인 자극을 통해 세포 및 조직을 활성화하거나 활동을 제어하여 치료효과를 유도하는 의료전자소자. ∘ 슈반세포 - 말초신경섬유를 살아있도록 하는 신경교세포. 슈반세포가 사멸하면 정상적으로 자연신경재생이 이뤄지지 않으며 평생장애를 유발할 수 있음. ∘ 축색돌기 - 뉴런에 존재하는 기관으로 수상돌기에 받은 신호를 전달하고 보내는 역할을 수행. ∘ 근위부(proximal) 신경 – 해부학적으로 손상된 신경을 중심으로 척수쪽에 가까운 신경을 가리킴. ∘ 원위부(distal) 신경 - 해부학적으로 손상된 신경을 중심으로 근육쪽에 가까운 신경을 가리킴 (척수 반대편). [ 그 림 설 명 ] ▲ 그림 1. (1) 말초신경 전기자극 개념도 (왼쪽). (2) 생분해성 무선전기자극 디바이스 구조 (가운데). 모든 전자회로 구성성분은 생분해성 소재로 이루어져 있음. (3) 신경에 적용한 전극계면 모식도 (오른쪽). ▲ 그림 2. 확대된 생분해성 무선전기자극 디바이스 구조와 신경에 적용한 전극 계면 모식도. ▲ 그림 3. 생분해성 전기자극 의료기기는 생체모사 유체에서 녹는 것을 확인함. 생체모사 유체에서 온도(pH=7.4; 90°C)를 높여 가속화 실험을 할 경우, 약 40일에 걸쳐 녹는 것을 확인함. 체내온도인 37도에서 녹일 경우, 1년 이내에 녹을 것으로 계산함. ▲ 그림 4. 신경에 전기자극 후, 6주 후 향상된 근육 조직 사진. 빨간색은 근육 조직의 경계를 나타냄으로써, 전기자극을 인해 근육세포가 큰 면적을 가지고 있는 것으로 보아 성장한 것을 확인할 수 있음. ▲ 그림 5. (1) 생분해성 금속과 폴리머로 설계된 신축성 전극 시연 (왼쪽). (2) 신축성이 있는 디바이스를 쥐의 왼쪽 다리 신경에 임플란트 한 후, 마이크로 CT를 이용하여 찍은 이미지 (오른쪽). 출처 : 고대소식ㅣ 고대뉴스ㅣ 연구 http://korea.ac.kr/user/boardList.do?boardId=474633&command=albumView&page=1&boardSeq=489285&id=university_060108000000
2020.11.30 한국바이오칩학회 추계학술대회 우수 구두 발표상 수상
지난 2020년 11월 신회월드 랜딩호텔에서 개최된 한국바이오칩학회 추계학술대회에서 주병석 석사과정생(지도교수: 정아람)이 우수 구두 발표상을 수상하였습니다. 축하드립니다.
2020.11.05 산기평 의료용로봇 아이디어공모전 최우수상 수상
산기평에서 주최하는 "의료용로봇 아이디어공모전"에서 저희 바이오의공학부 학생인 강희석, 곽태민 학생이 최우수상을 수상하였습니다. 축하드립니다.
2020.10.27 구자현 교수팀, 피부에 붙이면 피로도 알려주는 패치… 韓·美 공동 개발
구자현 교수팀, 피부에 붙이면 피로도 알려주는 패치… 韓·美 공동 개발 고려대·美 노스웨스턴대 등 공동 연구 땀 속 ‘코르티졸’ 농도 측정… 탈수 증세도 감지 "미 공군 연구소, 내년 상반기 실용화 테스트" 연구팀이 개발한 코르티졸 농도 측정용 패치 센서./고려대 제공 한미 공동 연구진이 피부에 붙이면 몸의 피로도를 알려주는 패치형 센서를 개발했다. 내년 상반기 미 공군 연구소에서 실용화 테스트가 이뤄질 예정이다. 고려대는 구자현 바이오의공학부 교수 연구팀이 이보람 건국대 의과대학 박사, 서선희 한국전기연구원 박사, 미국 노스웨스턴대·일리노이대 연구팀과 함께 땀 속 물질 ‘코르티졸’을 측정할 수 있는 웨어러블 바이오센서를 개발했다고 27일 밝혔다. 연구성과는 미국 국립과학원회보(PNAS)에 이날 게재됐다. 코르티졸의 분비는 오전에 늘어났다가 저녁에 줄어드는 규칙적인 리듬을 갖고 있다. 업무, 운동, 육체 노동과 같은 스트레스 요인들은 뇌 시상하부를 자극해 코르티졸의 분비를 비정상적으로 늘린다. 이 결과로 우리 몸은 심장 박동이 증가하고 호흡이 거칠어지며 심하면 탈수가 일어나는 피로 증세를 보이게 된다. 연구팀은 쉽게 부착되고 착용자가 불편을 느끼지 않을 정도의 유연함을 갖고 있는 3cmx5cm 크기의 실리콘 재질에 금(金) 나노입자 기반의 센서를 장착했다. 땀이 실리콘에 흡수되면 금 나노입자에 코르티졸이 닿는다. 코르티졸 농도에 따라 달라지는 금 나노입자의 화학반응 정도를 전기화학적인 방법으로 측정할 수 있다. 연구팀은 또 몸이 피로할 경우 나타날 수 있는 탈수 증세를 감지하는 기능도 구현했다. 탈수가 일어나면 수분이 부족해져 땀 속의 나트륨 농도가 증가한다. 센서는 이 변화를 감지할 수 있다. 패치 센서의 구조./고려대 제공 이번 연구는 글로벌 스포츠 음료회사 연구소인 ‘게토레이 스포츠 과학 연구소(Gatorade Sport Science Institute)’와 미 공군 연구소(Air Force Research Lab)가 운동선수나 군인의 신체 관리를 위해 처음 시작했다. 2016년 현지 매체를 통해 제품의 콘셉트가 소개된 바 있다. 현재 노스웨스턴대와 미 공군 연구소가 실용화 연구를 진행 중이다. 연구팀은 "미 오하이오주 데이튼시의 라이트 패터슨 공군기지에서 내년 상반기쯤 군인 등을 대상으로 실용화 테스트가 이뤄질 예정"이라고 밝혔다. 미국에서의 상용화는 1~2년 내 이뤄질 것으로 예상된다. 연구팀은 "코르티졸뿐만 아니라 신체에서 나타나는 다양한 신호와 징후를 포착하는 데 활용할 수 있어 후속 연구를 통해 의료용 데이터를 간편하게 수집하고 일반인이 스스로 건강관리할 수 있는 시대로 도약할 수 있을 것"이라고 기대했다. 자료출처 : https://biz.chosun.com/site/data/html_dir/2020/10/26/2020102601839.html (조선비즈 김윤수 기자)
2020.10.21 천홍구 교수, DNA 메모리 시대 열린다
천홍구 교수, 수용액 기반 DNA 합성법 개발 DNA메모리는 실리콘 반도체 기반 메모리의 한계를 넘어 데이터 집적도를 획기적으로 높일 수 있을 것으로 기대를 모으고 있는 차세대 기술이다. 디지털 정보를 쓰고 읽는 장치로 DNA의 염기서열을 이용한다면 현재 수준의 플래시메모리에 비해 데이터 집적도는 천 배 높고, 에너지소모는 1억 배 낮은 정보저장매체를 만들 수 있다고 한다. 정보는 0과1이 아니라 A(아데닌), T(티민), G(구아닌), C(사이토신)의 4진수로 저장된다. 정보생산량이 기하급수적으로 증가하면서 전 세계 메모리 수요는 현재 수십 제타 바이트 수준에서 20년 뒤인 2040년에는 약 7천만 제타 바이트 수준까지 늘어날 것으로 예상되는데 이를 플래시메모리에 저장하려면 약 1,014kg의 실리콘 웨이퍼가 필요하다. 하지만 DNA 메모리는 1kg에 전 세계의 모든 데이터를 담을 수 있을 정도로 집적도가 뛰어나다. 또한 DNA에 저장된 정보는 수 백만년이 지나도 변하지 않는다는 장점이 있다. 천홍구 고려대 바이오의공학부 교수 [고려대]고려대학교 바이오의공학부 천홍구 교수는 하버드대학의 조지 처치(George M. Church) 교수, 이호원 박사와 함께 DNA메모리를 만들 수 있는 새로운 DNA합성법을 개발, 16일 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈에 발표했다.(논문명 : Photon-directed multiplexed enzymatic DNA synthesis for molecular digital data storage) 이번 연구는 DNA메모리의 '쓰기' 기술을 개발한 것이다. 차세대 염기서열 분석법이라 불리는 NGS(Next Generation Sequencing)가 DNA메모리의 '읽기' 기술에 해당한다면 DNA합성 기술은 '쓰기'에 해당한다. 염기서열분석 기술의 눈부신 발전과 마찬가지로 DNA합성 기술이 고도화된다면 DNA메모리도 단지 꿈이 아닌 현실이 될 수 있다. 천홍구 교수에 따르면 이번에 개발한 DNA 합성 기술은 수용액 상태에서 DNA 합성을 가능하게 한 것이 핵심이다. 특히 우리 몸의 세포가 DNA를 합성하는 방법을 따라 효율적으로 DNA생산이 가능하게 했다. 기존의 DNA합성 기술은 독성의 유기용매를 사용해 환경오염 문제가 있으며, 특히 앞으로 예상되는 메모리 수요 규모의 데이터 저장을 위해서는 유기용매가 바닷물만큼 필요하다. 연구팀은 생물학적 DNA 합성 중 TdT (Terminal deoxynucleotidyl Transferase)라는 DNA 합성효소를 이용해 DNA를 효율적으로 합성, 원하는 정보를 담을 수 있도록 했다. 특히 빛을 이용해 DNA가 합성되는 각 부분에서의 효소 활성도를 제어함으로써 DNA 합성의 병렬처리가 가능해져 대량생산을 가능하게 했다. 원본보기 미세유체채널 안에 프로젝터로 빛 패턴을 비추어 DNA합성효소가 필요로 하는 Co2+ 이온을 국소적으로 전달, 선택적으로 DNA 합성을 진행하는 과정. 이로써 수용액 기반의 DNA 병렬합성이 가능해졌다. [고려대 천홍구 교수 제공]DNA메모리는 과기정통부가 지난 7월 '수공양용 드론'과 함께 '혁신도전 프로젝트' 과제로 선정할 만큼 미래지향적인 도전 과제다. 과기정통부는 DNA메모리의 합성(쓰기)과 분석(읽기) 부문의 국내 기술수준은 선진국에 비해 낮지만 이를 시스템화해 실제로 상용화하는 분야에서는 우리나라가 뛰어나다고 판단하고 혁신도전 프로젝트로 선정했다고 밝힌 바 있다. 천홍구 교수 연구팀은 이번에 개발한 DNA합성 기술로 저장한 음악(슈퍼마리오 게임 도입부)도 깃허브에 공개했다. 물론 DNA메모리를 실제로 읽어서 들을 수 있게 한 것은 아니라 기존 메모리로 다시 옮겨 놓은 것이다. 음악 샘플은 (https://github.com/dwiegand740/Photon_Enzymatic_Synthesis)에서 다운받을 수 있다. 자료 출처 : https://n.news.naver.com/article/031/0000563357
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