아마도 과학에 대해 조금이라도 관심이 있는 사람이라면, 나노(nano) 기술에 대해서는 들어보았을 것이고, 나노기술에 의해 향후 미래사회가 엄청나게 바뀔 것이라는 전망을 많이 보았을 것입니다.  그 중에서도 특히 의학분야에 적용되고, 이에 대한 적용기술이 상용화되는 시점 정도에는 현재의 의학기술에 있어 혁명적인 변화를 가져올 것이라는 이야기까지 나옵니다.  도대체 나노기술이 어떻게 의학의 판도를 바꿔놓을 수 있는 것일까요?   오늘부터 몇 차례 정도 나노의학(Nano-medicine)에 대한 글을 써 볼까 합니다. 

현재 나노기술이 의학에 영향을 미칠 수 있는 분야를 대략 아래의 12가지 정도로 분류합니다.  사실 거의 의학의 전분야에 관계가 있다고 말할 수 있습니다만, 언제나 생각을 정리하기에는 전체적인 그림을 그리는 것이 중요하기 때문에 이러한 분류는 나노의학을 이해하는데 큰 도움이 됩니다.

 
• 신약의 발견 (Drug discovery)     • 약물전달 (Drug delivery)   • 진단(Diagnostics)
• 의학영상 (Imaging)                  • 임플란트 (Implants)         • 활성화 임플란트 (Active implants)
• 조직공학 (Tissue engineering)   • 수술 (Surgery)               • 미용성형 (Cosmetics)
• 음식 (Food)                           • 유전학 (Genomics)          • 단백질학 (Proteomics
)


나노크기를 느낍시다.



나노, 나노 하는데 나노의 크기는 어느 정도일까요?  수치적으로는 10의 -9제곱인데 이게 어느정도 크기 인지 감을 먼저 잡아야 될 것 같습니다.  의학에서 중요한 것들의 크기를 설명하면, 우리 몸의 머리카락의 굵기가 대략 100 μm 정도가 됩니다.  그리고, 세포는 크기의 차이가 좀 있는데 대부분 직경이 2 – 10 μm 정도가 됩니다.  바이러스의 크기가 보통 50-100 nm  정도이고, 우리가 몸을 구성하는 단백질 분자의 크기가 2 – 8 nm, DNA 분자가 2 nm 입니다.  원자는 0.1 nm 정도로 알려져 있습니다.

여기서 또 한가지 중요한 것이 우리가 물건을 보는 가시광선의 파장이 400 nm ~ 700 nm 정도라는 것입니다.  눈으로 무엇인가를 보기 위해서 현미경으로 확대를 하더라도, 빛의 특성 자체가 이보다 훨씬 크기 때문에,  이런 나노월드에서 벌어지는 일들은 흔히 이용하는 광학 현미경 기술로는 도저히 직접 관찰이 불가능합니다.  그래서, 나노의학을 위해서는 빛이 아닌 다른 다양한 형태의 영상 및 측정기술 들이 필요하게 됩니다.


나노물질이 왜 그리 특별한가?

사람이 만든 것 중에서도 나노 수준의 것들이 이제는 꽤 많습니다.  나노튜브(nanotube), 덴드리머(dendrimer), 퀀텀도트(quantum dots), 마그네틱 나노파티클(magnetic nanoparticle), 콜로이드 금(colloidal gold) 등이 있는데, 과학뉴스 등에서 한번씩 등장한 것을 보신 적이 있을 겁니다. 

그렇다면, 이러한 나노물질이 왜 그리 특별하게 취급받는 것일까요?  나노물질은 일상적으로 우리가 아는 물질과는 대단히 다른 특성을 가집니다.  이렇게 작은 세상에서는 우리가 흔히 알고 있는 색상, 투명성, 단단함, 전기 및 자기적 특징과 같은 여러 물리적인 성질과 심지어는 독성, 녹는점, 끓는점과 같은 화학적인 성질까지 완전히 바뀌는 경우가 많습니다. 

나노의학에서 중요한 목표가 되는 물질은 단백질입니다.  현재 알려진 단백질의 종류가 100만 개가 넘습니다.  그렇지만, 아직도 단백질 자체에 대한 연구나 지식의 수준은 그렇게 높지가 않습니다.  HGP(Human Genome Project, 인간게놈 프로젝트)가 종료된 이후, 그래도 상당히 많은 연구들이 전세계에서 동시다발적으로 진행되고 있어 일부 단백질들의 기능과 성질들이 상세하게 밝혀지고 있습니다.  아직까지는 그래서 갈길이 멀다고 할 수 있겠습니다.

또한, 세포 수준의 타겟도 중요하게 생각되고 있는데 이는 대부분의 질병들이 세포 단위에서 일어나기 때문입니다.  질병의 초기에 진단을 하는 것이 현대의학과 관련한 연구에서 가장 중점을 두고 있는 부분의 하나인데, 실제 진단이 있다고 해도 현재로서는 각각의 세포 단위로 선택적인 치료가 가능하지는 않습니다. 나노기술이 향후 이런 부분에 돌파구를 열 수 있지 않을까 기대하기 때문에, 의학의 혁명을 언급하는 것이지요 ...


나노의학의 예는 어떤 것들이 있나?

아직까지 상용화까지는 시간이 다소 걸리겠습니다만, 나노물질을 이용한 의학적용에는 다음과 같은 것들이 추진되고 있습니다.  60개의 탄소원자 케이즈로 만들어진 분자인 풀러린(fullerene)이나 반도체 나노물질로 형광발현의 특징을 가진 퀀텀도트 등이 MRI나 초음파 영상 분야나 AIDS 관련 약물전달 물질로의 적용이 검토되고 있습니다.   나노파티클에 약물을 결합할 경우에 물에 잘 녹게 만들 수 있으며(많은 약물이 물에 녹지 않습니다), 위액이나 효소에 의해 분해되는 것을 막아서 소장에서의 흡수를 증진할 수도 있습니다.  또한, 정교하게 약성분이 조금씩 녹아 나오도록 조종하는데에도 큰 역할을 할 것으로 기대하고 있습니다.

나노튜브의 경우 튜브 안에 약물을 넣어서 전달하는 컨테이너로서의 역할을 하거나, 또는 세포 내부에 약물을 전달하는 전달자나 미세주사기의 역할이 가능할 것으로 보고 있습니다.  나노파티클을 이용해서 원하는 장기나 질병이 있는 곳에 선택적으로 약물을 전달하고자 하는 연구도 활발하게 진행되고 있습니다.  프랑스의 나노바이오틱스(Nanobiotix)에서는  암세포를 인식하고 암세포막을 통과해서 이를 선택적으로 파괴하는 나노파티클을 개발하고 있습니다.  산화철(iron oxide)의 핵과 항체를 결합한 형태를 가지고 있어, 항체가 암세포를 인식하고 결합을 하면 나노파티클에 세포 내에 주입이 되면 외부에서 자기장을 걸어서 열을 이용해 세포를 파괴하는 원리인데 임상시험이 곧 진행될 것으로 알려지고 있습니다.

호주의 에펠 테크놀로지(Eiffel Technologies)에서는 일반적인 약물의 구성성분과 단백질들을 나노파티클의 형태로 생산하는 사업을 추진하고 있습니다.  이렇게 할 경우 약물로서의 약동학적 성격이 달라지기 때문에 다양한 형태의 변형이 가능할 것으로 기대됩니다.   또한, 주사기로 주어야 했던 약물들이 연기나 분무 형태로 흡입을 할 수 있도록 하는 투여방법의 변화에도 적극적으로 활용될 수 있습니다.

이미 상당부분 상용화가 진척된 분야도 있는데 대표적인 부분이 자외선 차단제 시장입니다.  산화아연(zinc oxide) 나노크리스탈을 이용해서 만들어진 크림은 이미 자외선을 차단하는데 가장 효과적인 것으로 알려져 있으며, 세계적인 회사인 BASF에서 이를 개발하여 공급을 하고 있습니다.  누셀(NuCelle)이라는 회사의 SunSense SPF 30 선크림이 이 기술을 이용해서 상용화를 한 제품입니다.

미용성형 분야에서도 앞으로 나노물질의 활용도가 높아질 것으로 보입니다.  상당수의 특허들이 이 분야에서 이미 출원이 되었는데, 특히 피부의 항노화와 관련된 기술들이 많습니다.  코팅 물질로서의 가능성도 있습니다.  나노물질의 특성을 십분 발휘하여 항미생물, 비독성으로 기존의 제품들을 만들거나, 조직의 생장을 촉진하고 접착이 잘되며, 오래가는 좋은 특성의 강화에도 도움이 될 것으로 보입니다.

진단분야에서는 미량의 항체를 진단하는데 도움이 되는 기술이 개발되고 있으며, 티타늄 합금 나노물질의 경우 외과적으로 사용되는 기구나 임플란트의 생체적합성이나 수명을 연장할 것으로 기대하고 있습니다.  또한, 임플란트에 나노 표면처리를 통해 세포의 생착이 쉽게 되도록 하거나, 세포가 자랄 수 있는 작은 공간을 만들어 넣는 기술들도 연구되고 있습니다.  여기에 생분해가 가능한 폴리머를 이용해서 3D 형태의 조직으로 가공하는 분야도 향후 재생의학, 조직공학 분야에서 중요하게 다루어질 것입니다.

마지막으로 중요하게 생각하는 응용분야는 세포영상 분야 입니다.  나노파티클 기술은 다양한 영상기술의 조영제(contrast agent)로서의 활용도 매우 높습니다.  MRI, 초음파, 광학영상 그리고 핵의학 영상에 이르는 대부분의 영역에서 나노파티클이 중요하게 각광받을 것입니다. 


이처럼 나노기술이 적용될 수 있는 의학의 영역은 매우 넓습니다.  아직까지는 가능성 수준에서 크게 벗어나고 있지는 않지만, 미래의 의학에서 나노기술의 역할은 점점 더 중요해질 것은 확실합니다.  앞으로 몇 차례에 걸쳐 이러한 나노의학의 적용기술에 대해 좀더 자세하게 소개하는 시간을 가지도록 하겠습니다.


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미래는 하이컨셉, 하이터치의 세계라고 합니다. 너무 메마르고 딱딱한 이야기보다는 글로벌 시대에 어울리는 세계 각국의 이야기, 그리고 의학과 과학을 포함한 미래에 대한 이야기의 세계로 여러분을 초대합니다.

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1997년 앤드류 니콜이 감독하고, 에단 호크우마 서먼이 주연한 영화 <가타카>는 오늘날유전공학을 바탕으로 한 생명윤리와 가치관 등에 대한 고찰을 풍부하게 담은 수작이다. 제목 ‘가타카(GATTACA)’는 DNA를 구성하는 염기인 아데닌(Adenine), 티민(Thymine), 시토신(Cytosine), 구아닌(Guanine)의 표기를 이용해 구성한 말이다.




가까운 미래, 우주 항공 회사 가타카의 가장 우수한 인력으로 손꼽히고 있는 제롬 머로우(에단 호크 분)는 큰 키에 잘생긴 외모, 우주 과학에 대한 탁월한 지식과 냉철함 등 완벽한 유전자를 가지고 있는 사람이다.  그런데, 그의 과거는 우주 비행은 꿈도 꾸지 못할 부적격자 빈센트 프리만으로, 심장 질환에 범죄자의 가능성을 지니고 31살에 사망하는 것으로 되어있었다. 빈센트의 운명에 좌절한 부모는 시험관 수정을 통해 완벽한 유전인자를 가진 그의 동생 안톤을 출산한다.

이 영화에서 빈센트는 자신의 예견된 미래에 반기를 들고 DNA 중계인을 통한 가짜 증명서와 완벽하게 다른 사람으로 탈바꿈하기 위한 수술을 통하여 제롬 머로우로 재탄생하게 된다. 영화 가타카는 유전자로 모든 것을 결정하는 가상의 미래환경의 설정에서, 태어난 이후의 노력에 의한 변화 가능성을 극명하게 대비시킴으로써 유전자 결정론적인 사고방식에 대한 경종을 울리고 있다.




실제로 인간게놈프로젝트(HGP)를 통해 인간유전체를 구성하는 31억 쌍의 DNA 염기서열 전체를 해독하는 작업이 2003년 4월 14일 참여 중인 6개국 과학자들에 의해 99.99%의 정확도로 완성했다고 발표되었다.  사람은 인종과 개인에 따라 염기서열이 0.1% 정도 차이가 나기 때문에 100% 정확한 게놈지도는 만들 수 없다.  때문에 이는 100% 해독으로 여겨지고 있다.  이러한 유전자 해독작업과 최근에 급격하게 발달한 유전학 연구로 인해 수 많은 유전자 검사가 이미 가능해졌으며, 앞으로도 다양한 연구를 통해서 다양한 질병의 조기발견과 예방, 그리고 치료에 이르는 의학의 전반적인 영역을 발전시키게 될 것이다. 

현재는 유전자의 돌연변이에 의한 질병의 발생 유무를 예측하는 측면에서 많이 수행되고 있으나, 혈액에 포함되어 있는 암세포 등의 유전자를 찾아내거나, 질병 혹은 암 유전자의 활동에 의한 특수한 대사 물질을 확인하는 등의 방식 및 질병/암 발생 최초기에 세밀한 검사를 가능하도록 해주는 방식으로 급속한 기술 진전을 보이고 있다.

실제로 많은 유전자 검사가 유전자 진단 업체를 통해서나 건강검진 프로그램에서 추가적인 선택을 통해서 이루어질 수 있다. 보통 신생아의 경우에는 희귀하지만 조기에 발견해서 치료하면 정상적인 생활이 가능한 유전성 질병의 진단에 필수적인 검사로 활용이 되고 있으며, 성인의 경우에는 다양한 종류의 암, 성인병 및 기타 질환에 걸릴 확률이 높은 유전자를 보유하고 있는지 여부 등에 대한 검사가 가능하다.  유전자 검사는 미래의 의학에 있어 가장 중요한 변화의 요소인 개인화된 의료서비스의 핵심정보를 제공하게 되며, 유전자 검사에 사용되는 검사는 인간뿐만 아니라 가축이나 농작물 등의 품질/품종 관리 및 원산지 증명 등과 관련된 분야에도 광범위하게 활용되고 있다.

이러한 유전자 검사 기술의 발전은 단순히 의학의 영역에서 바라볼 것이 아니라 실제로는 가타카에서 보듯이 수많은 가치관의 충돌과 윤리적인 문제도 같이 가지고 있게 된다. 다음은 2007년 4월 6일 매일경제 신문에 난 기사의 일부이다.


무게가 1kg에 불과한 치와와에서 사람 어깨까지 닿는 몸길이 2m의 그레이트 데인까지. 몸무게 차이가 최대 70배나 날 정도로 제 각각인 개의 몸집은 어떻게 결정되는 걸까.  미국 국립보건원(NIH) 인간지놈연구센터(NHGRI) 네이든 서터 박사를 비롯해 미국과 영국 과학자 21명으로 구성된 국제 공동연구팀이 6일자 사이언스지 표지논문을 통해 이에 대한 명쾌한 답을 내놓았다.  9㎏ 이하 정도 몸집이 작은 개에서만 발견되는 작은 DNA 조각이 성장호르몬 유전자 IGF1을 억제한다는 것이다.  IGF1은 인간에서도 사춘기까지의 성장을 돕는 것으로 알려져 있다.  이번 연구는 총 143종 3241마리의 개에 대한 DNA 분석 결과에 따른 것이다. 몸집을 결정하는 DNA 조각이 발견됨에 따라 향후 개 행동이나 성격, 질병 등 보다 복잡한 기질에 대한 연구에 도움이 될 것이라는 전망이다. 


 
이 기사에 대한 윤리적 관점은 무엇일까? 4월 7일자 뉴시스에 난 보도자료를 보면 보건복지부에서는 다음과 같이 밝히고 있다.
 

복지부는 “보고된 유전자변이는 개의 크기를 설명할 수 있는 하나의 요소에 불과하다”며 “개에서 관찰되는 크기의 다양성을 설명하는 유전적 요인은 아직까지 밝혀지지 않은 상태이므로 이 논문의 연구 결과는 향후 개의 골격형태를 연구하는데 선행 연구결과로서 의미를 갖는다”며 확대해석을 경계했다.  사람의 최종 성인 신장은 유전요인과 환경요인 등의 종합적인 상호작용에 의해 결정된다는 게 복지부의 설명이다. 실제로 국가생명윤리심의위원회에서는 지난 1월 10일 신장(身長) 관련 유전자검사를 포함한 20개 검사에 대한 지침을 통해 사람의 키를 예측하기 위한 유전자검사는 과학적 타당성이 없다고 밝힌 바 있다.  복지부 역시 유전자검사의 오·남용을 방지하고, 유전자결정론적 사고가 확산되지 않도록 이번 생명윤리위의 결정을 생명윤리법 대통령령에 반영하는 것을 추진하고 있다. 



한 마디로 ‘롱다리’ 유전자가 있냐/없냐를 놓고서 우리가 내릴 수 있는 결론은 다음과 같다.  아직은 확실히 발견된 유전자가 없으며, 발견된다고 하더라도 다수일 가능성이 높으며 이들의 상호작용과 환경요인에 의해서 결정이 된다는 것이다.  그러나, 일부 유전자 업체를 통해서는 심지어 게놈 족보라는 것까지 등장한 모양이다. 한 집안의 유전학적 혈연관계를 족보의 형태로 만들고, 가계 구성원의 질병력을 같이 표기할 수 있도록 한 것인데 영화에서 소개된 미래의 시대상황과 무서울 정도로 일치하는 개념이라고 할 수 있겠다.  이러한 유전정보는 잘못 활용할 경우 프라이버시가 침해되고 동시에 명확하지 않은 확률에 근거한 잘못된 낙인을 찍을 가능성이 있는 위험성이 있다.

현재의 급격한 기술의 진보에 의한 의학의 발전에는 자칫 기술의 발전 측면만 지나치게 강조하다가 인간으로서 살아가야 하는 가장 기본적인 존엄성과 윤리적인 부분을 헤칠 가능성이 언제나 상존한다.  이를 막기 위해서는 언제나 과학자들은 언제나 열린 마음을 가지도록 노력을 해야 할 것이며, 일반시민들은 정보와 지식을 공유해서 항상 신뢰가 구축될 수 있도록 해야 한다.  또한, 첨단기술을 적용하는 병원에서는 이러한 측면을 명확하게 이해하고 이를 적용하기 위해서 부단한 노력을 해야 할 것이다.  유전자 검사의 경우에도 여러 가지 유전자 검사의 유효성과 그에 따른 윤리적인 문제, 각각의 개개인의 상황에 맞는 최적의 검사 디자인을 통해 과다하지 않게 수행이 되어야 할 것이며, 이러한 서비스를 제공할 수 있는지 여부가 앞으로 미래의 명품 건강진단센터가 되기 위한 초석이 될 것이다.
 

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