지난 11월 21일 미국화학회가 발간하는 ACS Applied Bio Matererals에 의미 있는 고찰 논문이 발표되었다. 호주 Wollongong 대학 혁신캠퍼스의 Jun Chen 박사 연구팀이 무선 전자약 기술의 현재와 미래를 조망한 논문이다. 오늘은 그 일부 내용을 소개하고자 한다.

전자약의 편리성 향상 과정에 무선(Wireless) 기술은 소형화(miniaturization)나 지능화(intellectualization)에 못지않게 중요한 기술이다.

연구팀은 무선전자약(Wireless Electrceuticals)의 주요한 수단 중 하나로서 전도성 고분자를 이용한 무선 전기화학 기술을 제시하였다. 전자약에서 무선처리 기술은 고정된 관념인 “전자약=기기장치”라는 패러다임을 “전자약=약”으로 전환할 수 있다. 

양극성 전기화학 자극(Bipolar electrochemical stimulation, BPES)이 무선 플랫폼으로 제공될 수 있다. 이 플랫폼에 프로그램밍된 신호가 세포를 자극하여 생물학적 변화를 유도할 수 있다.

기존 전자약에서 밧데리의 전원이 금속-기반 전선을 거쳐 연결된 금속 전극으로 뇌 심부를 자극하였다면, BEPS에서는 직접적인 오옴성 접촉(ohmic contact) 없이 양극성 전기화학반응으로 충분한 전압이 생성되고 전선 없이 전도성 물질을 통하여 전류가 흐를 수 있다.

전원과 양극성 전극 사이에 보이지 않는 전해질(이온)이 전류가 흐르도록 유도한다. 즉, 전해질 용액에 전장이 형성된다. 그 원리는 아래 그림과 같다.

이는 생체 내에서 전류가 흐르는 방식이다. 전기의 강도는 전해질 용액의 이온 입자에 의해 결정되고 전도도는 전해질의 구성과 농도에 따라 달라진다.

양극성 전극의 길이와 두 구동 전극사이의 거리를 조정하여 양극성 전극이 평형전위(equilibrium potential)에 이르도록 할 수 있다. 금속 전선 대신에 전도성 폴리머(conducting polymers, CPs)를 적용하여 표적분자나 세포에 전류가 흐르게 하고 전기 자극을 유도할 수 있다. 
 

무선 BPES는 기존 유선 전기자극기의 기능과 장점을 유지하면서도 비침습성과 높은 생체 적합성, 장기간 기계적·생화학적 안정성과 같은 부가적 장점을 더할 수 있다.

BEPS 플랫폼은 5가지의 주요소 즉, 기본 원리(concept)와 양극성 전극(bipolar electrode), 구동 전극(driving electrode), 전해질 용액(electrolyte solution), 세포 유형(cell types)으로 구성되어 있다.
 

▶기본 개념: 합리적 설계와 개발이 전제되어야 한다.

세포 자극에서 BPE의 인식은 아직 초기 단계이다. 연구자들은 BPE와 전기 재료, 전기 자극, 세포 배양, 조직 공학, 전기-/바이오-인터페이스, 생체 제작에 대한 견고한 이론적 토대와 실험적 근거를 갖추어 가고 있다. 관련 분야 전문 지식의 조합을 기반으로 이론을 구축하고 다각적·실험적 접근 방식으로 근거를 제시하고 있다.

▶양극성 전극: 생체에 안정적으로 적용 가능한 전기화학 자극

양극성 전극이 생체 내에서 기능을 하려면 생물학적 환경에서 일정기간 양극성 전기화학적 활성을 보유·유지해야 한다. 생체에 적합하고 무해·무독하며 생물학적 용액에서 안정적이어야 한다.

생체 내에서 분해되는 경우에도 무해·무독하되, 혹, 유해할 경우 분해되지 않아야 한다. 따라서 양극성 전기화학적 활성과 생체 적합성, 생체 안정성, 분해물을 모니터링할 수 있는 기술이 확보되어야 한다.

▶구동 전극: 구동전압을 미세하게 조정할 수 있어야 한다.

구동 전극의 배치와 거리, 분포가 전장의 강도와 유효성을 결정하므로 구동 전극을 통하여 전압을 제어할 수 있다. 전해질에 외부 전기장이 가해지면 전도성 물체의 두 끝 사이에 전위차가 발생한다. 즉, 전도성 물체는 양극성이 된다.

최소 적용 전장 강도에 도달하면 양극성 전기화학 반응이 시작된다. 용액에 전장이 형성되어 양극성 전극과 전해질 용액 사이에 서로 다른 계면 전위가 발생하는데, 그 전위는 양극성 전극의 길이에 따라 달라진다.

이 효과의 크기는 적용 전장 강도와 전기 활성 종의 전기화학적 특성, 지원 전해질 농도에  의해 결정된다. 양극성 전기화학적 활성을 유발함과 동시에 세포가 생존할 수 있도록 구동 전압을 조절할 수 있어야 한다.

▶전해질 용액: 생체 환경에 적합해야 한다.

살아서 기능하는 세포를 자극하기 위해서는 전해질 용액을 세포 생리학적 환경에 적용할 수 있어야 한다. 대개 인산염 완충 용액과 세포 배양 배지를 사용할 수 있다. BPES 기간 동안 세포가 생존하고 기능하는 가운데 구동 전압이 작동하고 안전한 구동 전압과 생물학적 환경에서 양극성 전기화학적 활성이 유도될 수 있어야 한다.

▶적용 세포 유형

 BPES 플랫폼 설정 과정에 PC12와 HL-1 세포주와 같이 배양과 처리가 쉬운 세포주들이 이용되고 있다. 인간 신경줄기세포(hNSCs)와 일차 피질신경도 BPES 플랫폼의 타당성과 보편성을 검증하는 데 좋은 옵션이 될 수 있다.

동물에서 인간으로, 시험관에서 생체 내로 BPES의 적용 범위를 확대하기 위해서는 사람 질병 특이적 세포주를 사용하는 것이 바람직하며, 신경모세포종 세포주인 SH-SY5Y가 정신분열증과 정신 장애 치료 연구의 모델로 활용되고 있다. 

위에 제시된 BPES에 대한 내용이 약학도들에게 생소할 수 있지만, 그 시스템은 BPE와 생물학을 용합하여 임상 적용 잠재력 높여가고 있다. 관련 장치들은 장기간 생체적합성과 유연성, 소형화, 자가발전, 설치·휴대 편이성, 신뢰성을 강화하고 있다.

공상과학이 현실화되고 있다. 이제 전자약의 기술이 전기-기계 중심에서 생체의 전기화학 중심으로 진화하고 있다. 전기화학기반 전자약의 개발에 약학도들의 선전을 기대해 본다.