뇌종양, 뇌출혈, 신경학적, 심리적 상태는 약물로 치료하기 어려운 경우가 많다. 그리고 효과적인 약물을 사용할 수 있는 경우에도 이러한 약물은 치료할 영역뿐만 아니라 뇌 전체를 순환하기 때문에 심각한 부작용을 일으키는 경향이 있다.

이러한 상황을 고려하여 연구자들은 언젠가 매우 구체적으로 정의된 위치에 약물을 전달하는 보다 표적화된 접근 방식을 제공할 수 있을 것이라는 큰 희망을 갖고 있다. 이를 위해 그들은 혈관의 빽빽한 미로를 통과하여 이동할 수 있는 소형 수송기를 개발하는 과정에 있다.

초음파의 이점

자기장 기반 탐색 기술과 같은 대체 항법 기술과 비교할 때 초음파는 특정한 이점을 제공한다.

"초음파는 의료 분야에서 널리 사용되는 것 외에도 안전하고 신체 깊숙이 침투한다."라고 ETH 취리히의 음향 로봇 공학 교수이자 네이쳐 커뮤니케이션즈에 발표된 연구 감독관인 다니엘 아하메드(Daniel Ahmed)가 말했다.

아하메드와 그의 동료들은 초소형 차량을 위해 지질로 코팅된 가스로 채워진 미세 기포를 사용했는데, 이 물질은 생물학적 세포막을 구성하는 것과 동일한 물질이다. 기포의 직경은 1.5마이크로미터이며 현재 초음파 영상의 조영제로 사용된다.

연구원들이 이제 보여주듯이, 이러한 미세 기포는 혈관을 통해 유도될 수 있다. 아하메드는 "이러한 기포 또는 소포는 이미 인간에게 사용하도록 승인되었으므로 우리 기술이 현재 개발 중인 다른 유형의 마이크로 차량보다 더 빨리 승인되어 인간 치료에 사용될 가능성이 높다"고 말했다.

초음파 유도 미세 기포의 또 다른 이점은 작업을 마친 후에 체내에서 용해된다는 것이다. 또 다른 접근법인 자기장을 사용할 경우, 마이크로비행체는 자성을 띠어야 하며, 생분해성 마이크로비행체를 개발하는 것은 쉽지 않다. 게다가 연구진이 개발한 마이크로버블은 작고 매끄러웠다.

아하메드 그룹의 박사과정 학생이자 주요 저자인 알렉시아 델 캄포 폰세카(Alexia Del Campo Fonseca)는 “이를 통해 좁은 모세혈관을 따라 쉽게 안내할 수 있다.”고 말했다.

암, 뇌졸중 등에 사용 가능

지난 몇 년 동안 아하메드와 그의 그룹은 실험실에서 좁은 혈관을 통해 미세 기포를 유도하는 방법을 개발해 왔다. 이제 그들은 쥐의 뇌 혈관에 이 방법을 테스트했다.

연구자들은 설치류의 순환계에 거품을 주입했고, 설치류는 외부의 도움 없이 혈류를 따라 휩쓸려갔다. 그러나 연구자들은 초음파를 사용하여 소포를 제자리에 고정하고 혈류 방향에 반대하여 뇌 혈관을 통해 안내하는 데 성공했다. 연구자들은 얽힌 혈관을 통해 거품을 안내하거나 혈류의 가장 좁은 가지로 방향을 바꾸기 위해 방향을 여러 번 바꾸도록 할 수도 있었다.

마이크로 차량의 움직임을 제어하기 위해 연구원들은 또한 각 쥐의 두개골 외부에 4개의 작은 변환기를 부착했다. 이 장치는 초음파 범위의 진동을 생성하여 뇌를 통해 파동으로 퍼진다. 뇌의 특정 지점에서 두 개 이상의 변환기에서 방출되는 파동은 서로를 증폭하거나 상쇄할 수 있다. 연구원들은 각 개별 변환기의 출력을 조정하는 정교한 방법을 사용하여 거품을 유도한다. 실시간 영상을 통해 기포가 어느 방향으로 움직이는지 알 수 있다.

이 연구를 위한 영상을 만들기 위해 연구자들은 2광자 현미경을 사용했다. 앞으로는 초음파 자체를 영상화에도 활용하고 이를 위해 초음파 기술을 강화할 계획이다.

이 연구에서 마이크로버블에는 약물이 장착되지 않았다. 연구자들은 먼저 혈관을 따라 미세 차량을 유도할 수 있고 이 기술이 뇌에 사용하기에 적합하다는 것을 보여주고 싶었다.

암, 뇌졸중, 정신 질환 치료 등 유망한 의료 응용 분야가 바로 여기에 있다. 연구자들의 다음 단계는 운반을 위해 약물 분자를 버블 케이스 외부에 부착하는 것이다. 그들은 언젠가 새로운 치료법 개발의 기초를 제공할 수 있기를 바라면서 전체 방법을 인간에게 사용할 수 있을 정도로 향상시키고 싶어한다.

출처: ETH 취리히