Eat your electronics
전자 기기를 먹어라
전자 기기를 삼키는 것은 보통 권장되지 않는다. 하지만 벨기에와 네덜란드의 연구진들은 무선 송신기, 마이크로칩부터 배터리, 일련의 화학 센서에 이르는 부품들을 먹는 것이 안전할 뿐만 아니라 유용하게 만드는 방법을 알아냈다.
그 결과물이 바로 ‘GISMO(위장관 스마트 모듈)’이다. 틱택(Tic Tac) 사탕 크기의 이 식용 캡슐은 인간의 장 전체를 이동하며 20초마다 화학적 수치를 측정하고 그 결과를 허리에 착용한 수신기로 전송한다. 이는 장 내부에서 실시간으로 정보를 보고할 수 있는 차세대 섭취형 기기의 초기 사례다. 잠재적인 응용 분야는 일상적인 진단부터 표적 약물 전달, 그리고 궁극적으로는 완전히 음식으로 만들어진 전자 기기에까지 이른다.
GISMO는 장내 ‘산화환원 균형’의 변화를 측정하는데, 이는 염증이나 병든 조직에 대한 조기 경보를 제공할 수 있다. 연구진들은 현재 궤양성 대장염 및 대장암 환자들을 대상으로 이 기기를 테스트하고 있다. 환자들은 아침 식사 전에 이를 삼키고, 며칠 후 평소와 같은 방식으로 이를 회수해야 한다.
인간의 장은 수조 개의 미생물이 서식하는 매우 복잡한 생태계이며, 이들의 집단적 대사 산물은 숙주의 건강 상태를 지속적으로 보여준다. 그동안 이곳은 의사들에게 다루기 어려운 영역이었다. 내시경이나 대장내시경으로 장의 일부를 직접 검사할 수는 있지만, 침습적이기 때문이다. 표준 대장내시경 검사는 약 30분이 소요되고 수백 파운드의 비용이 들며, 검사가 필요한 많은 환자가 단순히 기피할 정도로 불쾌한 과정이다.
20여 년 전, 필캠(PillCam)이라는 삼킬 수 있는 카메라가 시각적인 부분의 문제를 해결했다. 이 기술을 현재 보유하고 있는 미니애폴리스 소재 기업 메드트로닉(Medtronic)에 따르면, 필캠은 전 세계적으로 400만 명 이상의 환자에게 사용되었다. 그러나 장에서 가장 중요한 신호는 종종 환경적인 것이다. 미생물에 의해 생성되는 가스, 산성도, 화학 반응의 산물, 염증 분자, 그리고 음식, 질병, 약물에 따라 이러한 조건들이 어떻게 변하는지가 중요하다.
2018년, 한 파일럿 연구에서 섭취형 캡슐이 테스트되었다. 이 캡슐은 금속을 녹일 만큼 강한 산성이 존재하고 매시간 환경이 급변하는 장의 가혹한 환경을 통과하면서 산소, 수소, 이산화탄소 수치를 최초로 전송했다. 이 캡슐은 또한 식이섬유 섭취량 변화에 따른 미생물 발효의 변화도 감지할 수 있었다. 그 이후 목표는 이러한 측정값을 더 정밀하고 임상적으로 유용하게 만드는 것이었다.
이를 위해 메릴랜드 대학교 연구진은 2023년, 테플론의 고분자 사촌인 나피온(Nafion)으로 코팅된 금 전극을 사용하여 황화수소를 실시간으로 감지하는 섭취형 캡슐을 개발했다. 썩은 달걀 냄새의 원인인 이 가스는 염증성 장 질환과 관련된 장내 박테리아뿐만 아니라, 특히 대부분의 위궤양의 원인이자 위암의 주요 위험 인자인 헬리코박터 파일로리균에 의해서도 생성된다.
이 캡슐은 원래 장 염증 연구를 위해 설계되었지만, 같은 접근 방식을 박테리아 감지 분야로 확장할 수 있다. 언젠가는 내시경, 대변 검사 또는 때로는 부정확한 호기 분석이 필요한 현재의 헬리코박터 파일로리 진단을 대체할 수도 있을 것이다.
암모니아 역시 헬리코박터 파일로리 감염의 지표가 될 수 있다. 2024년 서던캘리포니아 대학교 연구진은 산소와 암모니아를 감지하는 광전자 센서를 탑재한 섭취형 알약을 개발했다. 신경망 알고리즘과 결합하면 위장관을 따라 가스 농도를 밀리미터 단위의 정밀도로 지도화할 수 있다. 인체 실험 전 동물 실험이 필요하지만, 궁극적인 목표는 환자가 직접 사용하여 스마트폰으로 데이터를 전송할 수 있는 캡슐을 만드는 것이다.
다른 가스 감지 캡슐들도 이미 임상 개발 단계에 진입했다. 호주의 기업인 Atmo Biosciences는 소장 내 세균 과증식 진단을 위해 발효 가스를 측정하는 캡슐의 임상 시험을 진행하고 있다. 이 질환은 소장에 박테리아가 비정상적인 수로 증식하여 신체가 영양분을 흡수하기 전에 이를 발효시킬 때 발생한다. 이는 복부 팽만감, 통증을 유발하며 심한 경우 영양실조를 일으키기도 한다. 이 회사에 따르면, 초기 안전성 연구에서 해당 캡슐이 표준 호기 검사보다 3,000배 더 민감하다는 결과가 나타났다.
감지는 목표의 절반일 뿐이다. 다른 연구자들은 질병 신호를 식별하고 장 내 발병 위치를 파악하여 해당 부위에 치료제를 방출할 수 있는 식용 전자 기기를 목표로 하고 있다. 이는 염증이 있는 특정 조직 부위를 치료하기 위해 신체 전체에 약물을 퍼뜨리는, 위장에서 약물을 무분별하게 녹이는 방식보다 훨씬 나을 것이다.
예를 들어, 매사추세츠 공과대학교(MIT) 연구진은 내부 상태를 감지하고 그 결과에 따라 반응하는 섭취형 캡슐을 개발 중이다. 2024년에는 두족류의 제트 추진 방식을 모방하여 소화관 벽에 직접 약물을 주입하는 장치를 만들었다. 같은 해 초, MIT 팀은 고위험 혁신 의료 기술을 추진하는 연방 지원 시스템인 ARPA-H로부터 6,600만 달러를 지원받아 mRNA 치료제를 경구 전달할 수 있는 섭취형 기기를 개발하게 되었다. 5년 과정의 이 프로그램은 신체의 호르몬 및 신경 신호 전달 네트워크를 전기적으로 자극하여 치료하는 ‘전자약(electroceuticals)’ 개발도 목표로 하고 있다.
이 모든 것의 과제는 전력이다. 모든 센서에는 전기가 필요하며, 오늘날의 캡슐은 산화은으로 만든 기존 배터리에 의존한다. 이는 일회성 진단 절차에는 허용될 수 있지만, 수백만 명의 만성 질환 환자를 일상적으로 모니터링하기에는 적합하지 않다. 몸 안으로 들어간 배터리는 결국 전자 폐기물로 몸 밖으로 나와야 한다. 또한 배터리는 종종 캡슐에서 가장 큰 부품이며, 소형화의 한계를 결정짓는 요인이기도 하다.
배를 위한 에너지
제시된 해결책은 윌리 웡카(Willy Wonka)가 좋아할 만한 것이다. 바로 ‘전자 음식’이다. 제노바에 있는 이탈리아 기술 연구소의 연구진들은 유럽 연구 위원회의 ELFO(Electronic Food) 프로젝트의 일환으로 전자 부품 역할을 할 수 있는 식품 유래 물질을 찾는 연구를 진행해 왔다.
2023년, 그들은 리보플라빈(비타민 B2), 퀘르세틴(케이퍼에서 발견되는 플라보노이드), 활성탄, 해조류, 밀랍으로 만들고 식품 등급의 금 접점을 특징으로 하는 세계 최초의 충전식 식용 배터리를 발표했다. 이 배터리는 0.65볼트에서 작동하며 12분 동안 48마이크로암페어를 공급했는데, 이는 저전력 LED를 켜기에 충분하며 원리를 입증하기에도 충분한 수치였다.
이듬해 같은 연구소는 치약에서 발견되는 파란색 색소인 구리 프탈로시아닌을 반도체로 사용하여 완전히 먹을 수 있는 트랜지스터를 제작했다. 트랜지스터는 논리 회로의 기본 스위칭 요소이다. 식용 버전은 기존 칩만큼 정교하지는 않지만, 사람들에게 실리콘 조각을 먹으라고 하는 것보다는 해결하기 쉬운 문제일 것이다.
여전히 상당한 장애물이 남아 있다. 식용 배터리는 리튬 전지보다 에너지를 훨씬 적게 저장한다. 식용 반도체는 불안정하고 느리다. 신체 내부에서 무선 신호를 전송하는 것은 조직이 전파를 흡수하기 때문에 지속적인 공학적 과제로 남아 있다. 또한 식품 성분이자 의료용 센서, 전자 회로, 약물 전달 시스템을 모두 겸비한 장치는 규제 기관에게 골치 아픈 문제다.
따라서 식용 전자 기기가 약국과 슈퍼마켓에 도달하기까지는 시간이 좀 걸릴 수 있다. 하지만 머지않아 장은 질문을 던졌을 때 대답할 수 있는 신체의 일부가 될지도 모른다.
전자 기기를 삼키는 것은 보통 권장되지 않는다. 하지만 벨기에와 네덜란드의 연구진들은 무선 송신기, 마이크로칩부터 배터리, 일련의 화학 센서에 이르는 부품들을 먹는 것이 안전할 뿐만 아니라 유용하게 만드는 방법을 알아냈다.
그 결과물이 바로 ‘GISMO(위장관 스마트 모듈)’이다. 틱택(Tic Tac) 사탕 크기의 이 식용 캡슐은 인간의 장 전체를 이동하며 20초마다 화학적 수치를 측정하고 그 결과를 허리에 착용한 수신기로 전송한다. 이는 장 내부에서 실시간으로 정보를 보고할 수 있는 차세대 섭취형 기기의 초기 사례다. 잠재적인 응용 분야는 일상적인 진단부터 표적 약물 전달, 그리고 궁극적으로는 완전히 음식으로 만들어진 전자 기기에까지 이른다.
GISMO는 장내 ‘산화환원 균형’의 변화를 측정하는데, 이는 염증이나 병든 조직에 대한 조기 경보를 제공할 수 있다. 연구진들은 현재 궤양성 대장염 및 대장암 환자들을 대상으로 이 기기를 테스트하고 있다. 환자들은 아침 식사 전에 이를 삼키고, 며칠 후 평소와 같은 방식으로 이를 회수해야 한다.
인간의 장은 수조 개의 미생물이 서식하는 매우 복잡한 생태계이며, 이들의 집단적 대사 산물은 숙주의 건강 상태를 지속적으로 보여준다. 그동안 이곳은 의사들에게 다루기 어려운 영역이었다. 내시경이나 대장내시경으로 장의 일부를 직접 검사할 수는 있지만, 침습적이기 때문이다. 표준 대장내시경 검사는 약 30분이 소요되고 수백 파운드의 비용이 들며, 검사가 필요한 많은 환자가 단순히 기피할 정도로 불쾌한 과정이다.
20여 년 전, 필캠(PillCam)이라는 삼킬 수 있는 카메라가 시각적인 부분의 문제를 해결했다. 이 기술을 현재 보유하고 있는 미니애폴리스 소재 기업 메드트로닉(Medtronic)에 따르면, 필캠은 전 세계적으로 400만 명 이상의 환자에게 사용되었다. 그러나 장에서 가장 중요한 신호는 종종 환경적인 것이다. 미생물에 의해 생성되는 가스, 산성도, 화학 반응의 산물, 염증 분자, 그리고 음식, 질병, 약물에 따라 이러한 조건들이 어떻게 변하는지가 중요하다.
2018년, 한 파일럿 연구에서 섭취형 캡슐이 테스트되었다. 이 캡슐은 금속을 녹일 만큼 강한 산성이 존재하고 매시간 환경이 급변하는 장의 가혹한 환경을 통과하면서 산소, 수소, 이산화탄소 수치를 최초로 전송했다. 이 캡슐은 또한 식이섬유 섭취량 변화에 따른 미생물 발효의 변화도 감지할 수 있었다. 그 이후 목표는 이러한 측정값을 더 정밀하고 임상적으로 유용하게 만드는 것이었다.
이를 위해 메릴랜드 대학교 연구진은 2023년, 테플론의 고분자 사촌인 나피온(Nafion)으로 코팅된 금 전극을 사용하여 황화수소를 실시간으로 감지하는 섭취형 캡슐을 개발했다. 썩은 달걀 냄새의 원인인 이 가스는 염증성 장 질환과 관련된 장내 박테리아뿐만 아니라, 특히 대부분의 위궤양의 원인이자 위암의 주요 위험 인자인 헬리코박터 파일로리균에 의해서도 생성된다.
이 캡슐은 원래 장 염증 연구를 위해 설계되었지만, 같은 접근 방식을 박테리아 감지 분야로 확장할 수 있다. 언젠가는 내시경, 대변 검사 또는 때로는 부정확한 호기 분석이 필요한 현재의 헬리코박터 파일로리 진단을 대체할 수도 있을 것이다.
암모니아 역시 헬리코박터 파일로리 감염의 지표가 될 수 있다. 2024년 서던캘리포니아 대학교 연구진은 산소와 암모니아를 감지하는 광전자 센서를 탑재한 섭취형 알약을 개발했다. 신경망 알고리즘과 결합하면 위장관을 따라 가스 농도를 밀리미터 단위의 정밀도로 지도화할 수 있다. 인체 실험 전 동물 실험이 필요하지만, 궁극적인 목표는 환자가 직접 사용하여 스마트폰으로 데이터를 전송할 수 있는 캡슐을 만드는 것이다.
다른 가스 감지 캡슐들도 이미 임상 개발 단계에 진입했다. 호주의 기업인 Atmo Biosciences는 소장 내 세균 과증식 진단을 위해 발효 가스를 측정하는 캡슐의 임상 시험을 진행하고 있다. 이 질환은 소장에 박테리아가 비정상적인 수로 증식하여 신체가 영양분을 흡수하기 전에 이를 발효시킬 때 발생한다. 이는 복부 팽만감, 통증을 유발하며 심한 경우 영양실조를 일으키기도 한다. 이 회사에 따르면, 초기 안전성 연구에서 해당 캡슐이 표준 호기 검사보다 3,000배 더 민감하다는 결과가 나타났다.
감지는 목표의 절반일 뿐이다. 다른 연구자들은 질병 신호를 식별하고 장 내 발병 위치를 파악하여 해당 부위에 치료제를 방출할 수 있는 식용 전자 기기를 목표로 하고 있다. 이는 염증이 있는 특정 조직 부위를 치료하기 위해 신체 전체에 약물을 퍼뜨리는, 위장에서 약물을 무분별하게 녹이는 방식보다 훨씬 나을 것이다.
예를 들어, 매사추세츠 공과대학교(MIT) 연구진은 내부 상태를 감지하고 그 결과에 따라 반응하는 섭취형 캡슐을 개발 중이다. 2024년에는 두족류의 제트 추진 방식을 모방하여 소화관 벽에 직접 약물을 주입하는 장치를 만들었다. 같은 해 초, MIT 팀은 고위험 혁신 의료 기술을 추진하는 연방 지원 시스템인 ARPA-H로부터 6,600만 달러를 지원받아 mRNA 치료제를 경구 전달할 수 있는 섭취형 기기를 개발하게 되었다. 5년 과정의 이 프로그램은 신체의 호르몬 및 신경 신호 전달 네트워크를 전기적으로 자극하여 치료하는 ‘전자약(electroceuticals)’ 개발도 목표로 하고 있다.
이 모든 것의 과제는 전력이다. 모든 센서에는 전기가 필요하며, 오늘날의 캡슐은 산화은으로 만든 기존 배터리에 의존한다. 이는 일회성 진단 절차에는 허용될 수 있지만, 수백만 명의 만성 질환 환자를 일상적으로 모니터링하기에는 적합하지 않다. 몸 안으로 들어간 배터리는 결국 전자 폐기물로 몸 밖으로 나와야 한다. 또한 배터리는 종종 캡슐에서 가장 큰 부품이며, 소형화의 한계를 결정짓는 요인이기도 하다.
배를 위한 에너지
제시된 해결책은 윌리 웡카(Willy Wonka)가 좋아할 만한 것이다. 바로 ‘전자 음식’이다. 제노바에 있는 이탈리아 기술 연구소의 연구진들은 유럽 연구 위원회의 ELFO(Electronic Food) 프로젝트의 일환으로 전자 부품 역할을 할 수 있는 식품 유래 물질을 찾는 연구를 진행해 왔다.
2023년, 그들은 리보플라빈(비타민 B2), 퀘르세틴(케이퍼에서 발견되는 플라보노이드), 활성탄, 해조류, 밀랍으로 만들고 식품 등급의 금 접점을 특징으로 하는 세계 최초의 충전식 식용 배터리를 발표했다. 이 배터리는 0.65볼트에서 작동하며 12분 동안 48마이크로암페어를 공급했는데, 이는 저전력 LED를 켜기에 충분하며 원리를 입증하기에도 충분한 수치였다.
이듬해 같은 연구소는 치약에서 발견되는 파란색 색소인 구리 프탈로시아닌을 반도체로 사용하여 완전히 먹을 수 있는 트랜지스터를 제작했다. 트랜지스터는 논리 회로의 기본 스위칭 요소이다. 식용 버전은 기존 칩만큼 정교하지는 않지만, 사람들에게 실리콘 조각을 먹으라고 하는 것보다는 해결하기 쉬운 문제일 것이다.
여전히 상당한 장애물이 남아 있다. 식용 배터리는 리튬 전지보다 에너지를 훨씬 적게 저장한다. 식용 반도체는 불안정하고 느리다. 신체 내부에서 무선 신호를 전송하는 것은 조직이 전파를 흡수하기 때문에 지속적인 공학적 과제로 남아 있다. 또한 식품 성분이자 의료용 센서, 전자 회로, 약물 전달 시스템을 모두 겸비한 장치는 규제 기관에게 골치 아픈 문제다.
따라서 식용 전자 기기가 약국과 슈퍼마켓에 도달하기까지는 시간이 좀 걸릴 수 있다. 하지만 머지않아 장은 질문을 던졌을 때 대답할 수 있는 신체의 일부가 될지도 모른다.