진단 도구를 개발하기 위해 마이크로 전자 기계 시스템 (MEMS)를 사용

저는 Bio Stick MAMs in Medicine Labs의 책임 연구원인 U De Mercy입니다. 저는 스탠포드 대학교에서 전기 공학으로 박사 학위를 취득했습니다. 이후 하버드 의과대학 MGH에서 박사후 연구원으로 근무하며 바이오 음향 MAMs 또는 주로 바이오 MA 연구를 수행했습니다.

그리고 저는 현재 하버드 의과대학과 하버드-MIT 보건과학기술대학의 교수로 재직하며, 제가 매우 좋아하는 연구를 계속 이어가고 있습니다. 제가 박사 과정 동안 수행한 연구는 주로 액적과 관련되었으며, 음향학을 이용하여 정밀한 크기의 액적을 생성하고 그 위치와 지점을 제어하여 매우 민감한 폴리머를 증착시키는 연구였습니다.

이제 우리는 유사한 기술을 적용하여 세포를 액적(droplet) 내에 캡슐화한 후, 조직 공학의 다양한 응용 분야를 위해 세포를 표면에 프린팅하여 패턴을 형성함으로써 세포를 표면에 배치합니다. 또한, 소수의 세포나 단일 세포를 캡슐화하거나, 동일한 세포군 내에서 세포 간의 차이를 관찰하고자 하는 응용 분야도 있습니다. 따라서 초당 10,000개의 세포와 같은 고처리량 속도로 세포를 액적에 캡슐화하는 능력은 생물학적 문제를 이해하는 데 매우 중요하고 유용합니다. 따라서 현재 제 연구는 크게 두 가지 방향으로 진행되고 있다고 말씀드릴 수 있습니다.

하나는 방금 말씀드린 세포 캡슐화 작업입니다. 어떻게 하면 세포를 액적 안에 담을 수 있을까요? 그리고 이를 어떻게 반복적이고 신뢰성 있게, 그러면서도 세포에 손상을 주지 않고 수행할 수 있을까요? 세포가 액적 내로 방출되거나 캡슐화된 후, 우리는 표면 위에서 세포의 위치를 정확하게 파악할 수 있어야 하며, 세포는 기능적으로 활성화되어 살아있는 상태여야 합니다.

분사 등의 영향으로 손상되지 않아야 합니다. 따라서 현재 우리는 개방형 풀에서 음향 액적 집중파(acoustic drop focused waves)를 이용해 액적을 생성하는 시스템을 갖추고 있으며, 이를 통해 세포 크기와 유사한 매우 작은 액적 안에 단일 세포까지 캡슐화할 수 있습니다. 이는 세포 프린팅 및 조직 공학에 적용한다는 점에서 매우 고무적인 일입니다.

제 연구의 또 다른 측면은 이러한 MEMS 미세 전자기계 시스템 기술을 사용하여 저비용 진단 도구를 개발하는 것입니다. 주로 이 연구에서는 미세유체 방식을 사용하는데, 이를 통해 전혈, 즉 손가락 끝 채혈과 같이 10 µL 미만의 매우 적은 양의 혈액을 칩에 주입할 수 있습니다. 그리고 해당 혈액으로부터 특정 하위 세포군을 캡슐화하거나 포집할 수 있습니다.

이것이 왜 중요할까요? 글로벌 보건 응용 분야에서 왜 저렴한 비용으로 구현되어야 할까요? 예를 들어, 아프리카의 산꼭대기에 있는 환경에서도 HIV 환자가 얼마나 많은 CD4 T 림프구를 보유하고 있는지 확인할 수 있어야 합니다. 세계보건기구(WHO)에 따르면, microliter당 CD4 세포 수가 200개 미만일 경우 환자 치료를 시작해야 하기 때문입니다. 선진국에서는 이러한 데이터를 얻기 위해 수십만 달러에 달하는 유세포 분석기(flow cytometers)를 사용합니다.

물론 이러한 거대한 테이블 크기의 장비들을 사용하는 데는 시간과 숙련된 기술이 필요합니다. 저희의 작은 칩은 이 작은 핑거스틱을 통해 10 µL의 전혈을 도입할 수 있으며, 표면 단백질 친화성을 이용하여 CD4 세포를 포획합니다. 칩 표면의 CD4 단백질 항체에 CD4 세포가 부착되어 있다는 것을 알 수 있으므로, 포획된 이 세포들을 신속하게 계수할 수 있습니다.

유량과 전단력을 조절함으로써 이러한 세포 유형에 대한 특이성과 효율성을 최적화할 수 있습니다. 물론 비특이적 결합은 항상 발생하지만, 당사의 전단력 접근 방식을 통해 이러한 영향을 최소화하고 ±10% 이내의 오차 범위를 확보함으로써, 아프리카의 험준한 산악 지역에서도 진단 또는 예후 결정을 내리기에 충분한 수준을 유지합니다. 따라서 이는 글로벌 보건 분야에 흥미로운 응용 가능성을 제시할 뿐만 아니라, 일회용으로 사용 가능한 이러한 저비용 기술은 선진국에도 영향을 미칠 수 있습니다. 이제 매우 저렴한 이러한 신속 혈액 검사법이 선진국에서 사용하는 검사 방식에 변화를 줄 수 있기 때문입니다.

만약 효율성과 특이도를 더 높은 수준으로 최적화할 수 있다면, 저희의 초기 데이터가 보여주듯 이는 분명히 우리의 삶에 영향을 미칠 것입니다. 박사 과정을 처음 마쳤을 때, 저는 다른 무엇보다 마이크로플루이딕스와 MAMs에 대해 더 많이 알고 있었으며, 특히 액적 응용 분야에서 세포를 프린팅하고 캡슐화하거나 소수의 세포 또는 단일 세포를 조작할 수 있다면 생명공학 분야에서 훌륭하게 응용될 수 있을 것이라 생각했습니다. 그리고 저는 실제로 사람들의 삶에 영향을 줄 수 있는 연구를 수행하는 것에 매우 큰 관심을 가지고 있었습니다.

저는 이전에 이러한 기술들을 반도체 산업에 적용해 왔으나, 사람들에게 직접적으로 도움이 되고 싶었습니다. 그것이 제가 헬스케어 분야의 문제들에 관심을 갖게 된 계기였습니다. 그래서 큰 변화를 결심하고 박사후 연구원 과정을 위해 매사추세츠 종합병원(Mass General Hospital)으로 오게 되었습니다.

그리고 그곳에서 저는 점점 더 많은 문제들에 노출되었고, 오늘날 전 세계적으로 가장 큰 문제 중 하나가 글로벌 보건이라는 점이 명확해 보였습니다. 결핵이나 HIV와 같이 매일 수천 명의 생명을 앗아가는 질병들이 발생하고 있습니다. 이러한 사람들이 사망하는 이유는 약이 없어서가 아니라, 기존의 약제보다 훨씬 더 고가인 진단 도구가 부족하기 때문입니다. 따라서 저는 기술적인 측면의 상황을 매우 잘 알고 있습니다.

저는 생물학적 문제들을 접하게 되었고, 그것들에 대해 더 많이 배울수록 제가 기여할 수 있는 부분이 많다는 것을 깨달았습니다. 그렇게 해서 모든 것이 시작되어 성장해 왔으며, 그 과정은 지금도 계속되고 있습니다.

제가 보기에 생명공학 및 의학 분야에는 실제로 사람의 생명을 앗아가는 수많은 문제들이 존재하며, 기술적인 측면을 실제 의료 문제에 적용할 수 있다는 점이 추구해야 할 매우 훌륭한 방향이라고 생각합니다. 이러한 관점에서 전체적인 생명공학 분야가 계속 성장하며 매우 영향력 있게 변해가고 있다고 봅니다. 생각해보면 HIV나 암 같은 질병들은 전 세계적으로 많은 인명 피해를 주는 치명적인 질환들입니다.

또한 현재의 마이크로 기술과 접근 방식은 혈액에서 이러한 세포들을 포집하여 암을 조기에 발견하거나, 비용을 획기적으로 낮추어 대중이 이용 가능하게 함으로써 도움을 줄 수 있을 것입니다. 따라서 이 모든 요소가 결합되어, 의료 및 의학 분야의 이러한 마이크로 기술 응용이 인류의 미래에 영향을 미칠 수 있을 것이라고 생각합니다. 이것이 제가 생각하는 이 모든 요소들의 상호 연관성입니다.

또한 하버드-MIT 보건과학기술(HST) 프로그램에 몸담으며 한편으로는 기술을 다루고, 다른 한편으로는 제가 근무하는 브리검 여성 병원(Brigham and Women's Hospital)의 환자와 의사들에게 직접 접근할 수 있다는 점은 매우 훌륭한 환경입니다. 대화하는 모든 사람이 각자의 고민을 가지고 있으며, 서로 다른 배경을 가진 이들이 모여 기존의 실제 세상에서 발생하는 문제들에 대해 흥미로운 해결책을 제시할 수 있기 때문입니다. 이것이 제가 의료적 문제와 기술적 측면이 만나는 전체적인 관점을 바라보는 방식이라고 생각합니다.

그리고 저희는 사람들의 삶에 긍정적인 영향을 미치고자 노력하고 있습니다. 단일 세포 캡슐화 또는 세포 캡슐화에서 주요 과제는 단일 세포를 신뢰성 있고 반복 가능하게 캡슐화하는 것입니다. 즉, 초당 10,000개에서 100,000개의 세포를 방출하는 작업입니다.

그렇다면 분사하는 각 액적에 단일 세포가 포함되도록 어떻게 보장할 수 있을까요? 이는 액적 크기를 변경하고 액적 크기 대비 세포 크기를 최적화함으로써 통계적으로 접근하는 문제이며, 이는 부피 내에 구체를 채우는 고전적인 문제와 그 가장 효율적인 방법이라는 과제로 연결됩니다. 따라서 이것이 기술적 측면에서 세포 프린팅 분야의 가장 큰 도전 과제입니다.

또 다른 측면은 이제 이러한 세포들을 출력하고 정확한 위치에 배치할 수 있다는 점입니다. 어떻게 이러한 3차원 조직을 생성하고, 어떻게 생존 상태를 유지하며, 어떻게 이식할 수 있을까요? 여기서 조직을 정확하게 모방하고자 하는 생물학적 관점의 문제들이 발생합니다.

우리는 췌도(pancreas eyelet)를 출력하거나, 평활근 세포를 사용하여 인간 또는 붉은 방광의 상태를 직접적으로 모방한 방광 조직을 출력할 수 있는 현재의 접근 방식들을 보유하고 있습니다. 이를 통해 이러한 조직을 제작하고, 실제 존재하는 천연 조직과 비교하여 성능이 얼마나 뛰어난지 테스트할 수 있습니다. 따라서 이러한 새로운 기술들을 활용하여 어떻게 하면 대체 또는 이식이 가능한 이상적인 조직을 만들 수 있을지가 주요 과제라고 생각합니다. 단일 세포 수준의 제어를 통해 세포를 정밀하게 배치할 수 있는 능력을 갖추게 되었으므로, 그 지점부터 어떻게 조직을 성장시킬 것인가가 초기부터 제기된 가장 큰 문제입니다.

따라서 인간의 삶에 영향을 미치는 이식 가능한 무언가가 필요합니다. 그런 관점에서 조직 공학 측면의 과제는 다음과 같습니다. 캡슐화와 미세유체 기반의 진단 분야에서 직면한 과제는 수십억 개의 세포 중에서 단 하나의 세포를 포착해 내는 것입니다. 이는 마치 소금 통 안에 섞여 있는 단 하나의 설탕 입자를 찾아내려는 것과 같으며, 확률적으로는 10억 분의 1에 해당합니다.

따라서 수 µL에서 수 mL의 전혈을 처리할 때, 막힘과 같은 기술적 문제나 비특이적 결합과 같은 생물학적 문제 없이 특이적이고 효율적으로 분리하고자 한다면, 전혈 1 µL당 수백만 개의 세포가 있는 상황에서 단 하나의 세포를 분리할 수 있어야 합니다. CD4 T 림프구의 경우, 1 µL당 약 1,000개의 세포를 찾는 것이 목표입니다. 즉, 이는 1,000개 중 하나를 찾는 것과 같은 문제이며, 저희는 이것이 가능하다는 것을 보여주었습니다.

하지만 암 진단을 위해 순환 종양 세포를 추적하려 한다면, 이는 수십억 개 중 하나를 찾아내야 하는 과제가 됩니다. 이를 요약하자면, 주변의 수십억 개 세포 중에서 어떻게 이 단 하나의 세포를 포착할 것인가 하는 점이며, 기술적인 측면에서는 어떤 것들이 있을까요?

유속은 얼마입니까? 장치 설계는 어떻게 됩니까? 유속은, 유속은 각각 얼마입니까?

처리해야 할 혈액의 양은 어느 정도이며, 포집한 세포가 실제로 목표로 했던 세포인지 어떻게 확인할 수 있을까요? 이러한 모든 측면은 "수십억 개의 다른 세포 중에서 어떻게 이 희귀한 세포 하나를 포집할 것인가?"라는 한 문장으로 요약될 수 있는 전체적인 도전 과제를 형성합니다. 이는 말 그대로 건조더미에서 바늘 찾기와 같은 문제이며, 매우 흥미로운 연구 분야입니다.

그리고 이러한 문제들을 해결하기 위해 기술을 진전시키는 것이 현재의 기술적 과제라고 생각합니다. 기술을 원래 의도한 기능을 수행하는 수준까지 끌어올리는 것이 하나의 단계라면, 이를 임상에 적용하여 제품화하는 것은 회사 설립 및 특허 확보 능력과 같은 완전히 다른 전문 지식이 필요한 영역입니다.

그리고 과학자로서 저희는 연구실의 성과물을 실제 제품으로 구현하는 데 필요한 모든 기술을 갖추고 있지는 않다고 생각합니다. 그렇기에 서로 다른 배경을 가진 사람들과의 협업이 다시 한번 중요해집니다. 세상에는 매우 영향력 있고 유용하게 쓰일 수 있는 많은 기술이 존재합니다.

때로는 단순히 결과가 나오지 않았거나, 시기상 적절하지 않았거나, 혹은 제가 방금 언급한 다른 영향들이 작용하여 실제 임상이나 인류의 실생활에까지 도달하지 못하는 경우가 있습니다. 또는 기술이 실제로 해당 문제를 해결할 수 있다는 직접적인 연결 고리를 찾지 못하는 경우도 있습니다. 그리고 그 문제를 다루는 사람, 즉 생물학자나 의료계 종사자들은 수년 동안 한 가지 방식에 익숙해져 있기도 합니다.

그리고 기술 분야의 사람들은 대부분 생명공학에 집중하지 않는 한 의학계의 문제점들을 잘 알지 못합니다. 따라서 이 두 분야를 하나로 모으는 것은 매우 중요한 학제 간 연구입니다. 지난 몇 년 동안 NIH 차원에서뿐만 아니라 연구소와 대학에서 볼 수 있듯이, 학제 간 연구를 창출하는 것이 전반적인 강조 사항이라고 생각합니다.

따라서 사람들은 여러 분야의 지식을 습득해야 하는 환경에서 박사 학위를 취득하게 됩니다. 예를 들어, 제 박사 과정에서는 음향학, MEMS, 미세 유체 역학을 알아야 했으며, 이를 폴리머에 적용해야 했습니다. 즉, 특정 문제를 해결하기 위해 실제로는 다른 세 가지 분야에 대해 상당히 깊은 지식을 갖추어야만 하나의 분야에서 매우 깊이 있는 전문성을 확보할 수 있게 되는 것입니다.

따라서 저는 그 답이 학제간 연구와 이를 사람들이 사용할 수 있게 만들 비즈니스 기술을 가진 사람들의 결합에 있다고 생각합니다. 이는 매우 방대한 과정이며 특정 지점에서 발생하는 일부 비효율성이 기술 이전 비율을 낮게 만드는 원인이 됩니다.