의료용 센서의 미래는 나노튜브에 있는 것 같다. 화학자들은 탄소 나노튜브에 갖가지 폴리머를 입혀, 생물학적으로 중요한 화합물들(예: 인슐린, NO, 피브리노겐)을 탐지하는 미세장치를 개발하고 있다. 이 같은 센서들은 의사들의 진단을 단순화·자동화해줄 것으로 기대된다. 최근 보스턴에서 열린 미국 화학회 연례회의에서 발표된 예비실험 결과에 의하면, 나노튜브로 만들어진 센서는 혈류 속에 주입하거나 피부 밑에 이식해도 안전하다고 한다. 또한 나노튜브-폴리머 복합체는 거대분자의 농도를 측정할 수도 있는데, 이는 기존의 기술로 해결하기 힘든 난제(難題)로 여겨져 왔다. 

"탄소 나노튜브에 각종 주형을 결합하면 거대분자를 탐색하는 능력을 부여할 수 있다. 지금껏 거대분자를 인식하는 방법이 마땅치 않던 차에, 매우 반가운 소식이다. 인체와의 적합성을 확인해 봐야겠지만, 향후 발전 가능성이 무궁무진해 보인다"고 노스이스턴 대학교의 헤더 클라크 박사(생물분석화학)는 논평했다. 

과학자들은 인체 안에 오래 머무는 이식용 센서를 개발하려고 노력해 왔지만 난항을 겪어 왔다. 왜냐하면 인체는 자신을 방어하고 생물학적 물질을 재활용하는 능력을 보유하고 있어, 체내에 이식된 센서들을 상처조직으로 둘러싸거나 파괴해 버리기 때문이다.

"모든 생체물질들은 결국 파괴되기 마련이다. 우리의 목표는, 모든 분자를 모니터링하면서 인체 안에 오래 머무는 센싱 플랫폼(sensing platform)을 개발하는 것"이라고 이번 연구를 지휘한 MIT의 마이클 스트라노 박사(화학공학)는 말했다. 

스트라노 박사가 이끄는 MIT의 연구진은 탄소 나노튜브에 다양한 형태의 폴리머를 코팅하여 센서를 만들었다. 그리고는 이 센서를 이용하여 연구자들이 탐지하고 싶어하는 분자들을 하나씩 하나씩 탐지해 봤다. 이 접근방법은 나노튜브의 천연 발광능력을 이용한 것으로, 빛이 센서에 닿을 경우, 나노튜브는 분자와의 결합 여부에 따라 빛이 밝아지거나 흐려지게 된다. 

연구진은 나노튜브에 폴리머와 뉴클레오타이드의 혼합물을 코팅한 후, 그중에서 피브리노겐에 결합하는 형태를 가진 것을 골라냈다. (피브리노겐은 혈액응고에 관여하는 거대분자로, 피브리노겐의 농도를 측정하면 혈액장애, 간질환, 심혈관질환 위험을 판단할 수 있다.) 이렇게 하여 탄생한 피브리노겐 탐지용 나노튜브(fibrinogen-detecting nanotube)는 혈액 샘플 속의 피브리노겐 농도를 측정하거나, 인체조직에 이식하여 피브리노겐 농도를 실시간으로 측정할 수도 있다. 

연구진은 피하에 이식하여 포도당이나 인슐린 농도를 실시간으로 모니터링하는 센서도 개발했다(참고 2). 연구진에 의하면, 무선장치가 포함된 패치를 센서 위에 부착하여 센서의 형광을 측정한 다음, 휴대전화에 데이터를 전송함으로써 실시간 모니터링이 가능하다고 한다. 

연구진은 NO(nitric oxide)를 측정하는 센서도 개발했다(참고 3). (NO는 염증을 나타내는 신호전달분자로, 많은 암과 관련된 것으로 알려져 있다.) 이 센서를 하이드로젤 기질에 삽입한 결과, 마우스의 체내에서 400일 이상 머무르며 아무런 염증도 초래하지 않는 것으로 밝혀졌다. NO 센서는 혈류 속에 들어가서도 임무를 잘 수행했으며, 폐의 모세혈관을 성공적으로 통과하는 것으로 밝혀졌다(폐는 나노튜브의 독성이 나타나기 쉬운 지역으로 알려져 있다). 연구진은 NO 센서를 암 치료용 센서로 개발할 예정이다. 연구진에 의하면, 의사들은 NO 센서를 이용하여 암세포가 모두 제거되었는지를 확인할 수 있다고 한다. 

※ 참고문헌 

1. Kruss S. et al., "Carbon nanotubes as optical biomedical sensors", Adv. Drug Delivery Revs. 65, 1933–1950 (2013). 

2. Bisker, G., Iverson, N. M., Ahn, J. & Strano, M., "A Pharmacokinetic Model of a Tissue Implantable Insulin Sensor", Adv. Healthcare Mater. 4, 87–97 (2015). 

3. Iverson, N. et al., "In vivo biosensing via tissue-localizable near-infrared-fluorescent single-walled carbon nanotubes", Nature Nanotechnol. 8, 873–880 (2013). 

출처 http://www.nature.com/news/nanotube-implants-show-diagnostic-potential-1.18219 

Nanotube implants show diagnostic potential

Devices could track insulin levels in the body or sniff out cancerous cells.

Rachel Ehrenberg 21 August 2015

Carbon nanotubes can be used to detect levels of biological molecules in vivo.

The future of medical sensors may be going down the tubes. Chemists are developing tiny devices made from carbon nanotubes wrapped with polymers to detect biologically important compounds such as insulin, nitric oxide and the blood-clotting protein fibrinogen. The hope is that these sensors could simplify and automate diagnostic tests.

Preliminary experiments in mice, reported by scientists at a meeting of the American Chemical Society in Boston, Massachusetts, this week, suggest that the devices are safe to introduce into the bloodstream or implant under the skin. Researchers also presented data showing that the nanotube–polymer complexes could measure levels of large molecules, a feat that has been difficult for existing technologies.

“Combining carbon nanotubes with these attached templates imparts the unique ability to detect larger molecules, which has been challenging because we don't have good tools for recognizing them,” says bioanalytical chemist Heather Clark of Northeastern University in Boston. Although it is important to thoroughly investigate the sensors' compatibility with the human body, she notes that “as this exciting technology moves forward, it will be interesting to learn more”.

Efforts to develop long-lasting implantable sensors have been stymied by the human body's inclination to protect itself and to recycle biological material. Devices can become wrapped in scar tissue or have their components broken down by the body.

“Anything the body makes, it is meant to degrade,” says chemical engineer Michael Strano, whose lab at the Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge is behind much of the latest work1. “Our vision is to make a sensing platform that can monitor a whole range of molecules, and do it in the long term.”

Illumination game

Strano’s team builds sensors by coating carbon nanotubes — single cylinders of graphene — with various polymers of different configurations. Then the team screens them against libraries of molecules that the researchers want to detect. The approach takes advantage of nanotubes’ natural ability to fluoresce: when light hits a sensor, the nanotube dims or brightens depending on whether it is bound to a molecule of interest.

To design one sensor, MIT researchers coated nanotubes with a mix of polymers and nucleotides and screened for configurations that would bind to the protein fibrinogen. This large molecule is important for building blood clots; its concentration can indicate bleeding disorders, liver disease or impending cardiovascular trouble. The team recently hit on a material that worked — a first for such a large molecule, according to MIT nanotechnology specialist Gili Bisker. Bisker said at the chemistry meeting that the fibrinogen-detecting nanotubes could be used to measure levels of the protein in blood samples, or implanted in body tissue to detect changing fibrinogen levels that might indicate a clot.

The MIT team has also developed2 a sensor that can be inserted beneath the skin to monitor glucose or insulin levels in real time, Bisker reported. The team imagines putting a small patch that contains a wireless device on the skin just above the embedded sensor. The patch would shine light on the sensor and measure its fluorescence, then transmit that data to a mobile phone for real-time monitoring.

Another version of the sensor, developed3 at MIT by biomedical engineer Nicole Iverson and colleagues, detects nitric oxide. This signalling molecule typically indicates inflammation and is associated with many cancer cells. When embedded in a hydrogel matrix, the sensor kept working in mice for more than 400 days and caused no local inflammation, MIT chemical engineer Michael Lee reported. The nitric oxide sensors also performed well when injected into the bloodstreams of mice, successfully passing through small capillaries in the lungs, which are an area of concern for nanotube toxicity. Iverson, who is starting her own lab at the University of Nebraska–Lincoln, plans to further develop the nitric oxide sensors for cancer treatments. For example, surgeons might use the device to determine whether they have removed every tumour cell from a patient.

"You hear that a surgeon will say, ‘I think we got it all,’” Iverson says. “If we can detect a single inflamed cell, then they'll know they got it all."

 Journal name: Nature

DOI: 10.1038/nature.2015.18219