빠른 스크리닝 과정, 저렴한 가격과 효과, 화학적 부작용 발생 원천 차단 장점
초소형 신경전극·초소형 신경신호 처리 및 자극기·폐-루프 제어용 센서 중요성

[의학신문·일간보사=오인규 기자] 화학적 약을 기반으로 신경신호를 제어하는 기존 방법과는 달리, 전기자극 등을 통해서 신경신호를 인위적으로 제어해 면역 및 대사 관련 질환을 치료 또는 완화하는 약물 대체 치료법이 등장했는데, 이를 전자약(Electroceuticals) 또는 바이오전자 의료(Bioelectronic medicine)라고 부른다.

이와 같은 전자약 기술의 핵심은 목표로 하는 신경을 선택적으로 자극하고 신호를 측정하는 것이며, 기반 기술 발전이 동반돼야 한다는 주장이 나와 눈길을 끈다.

한국의료기기안전정보원(원장 김태영)은 최근 혁신의료기기 연구개발 정보지 ‘전자약’ 편을 통해 전자약은 개발 과정에 있어서 스크리닝 과정을 의약품보다 빠르게 진행할 수 있으며, 회로의 소형화와 배터리 기술 및 생분해성 재료공학의 발전에 따라 경제적 이점과 확장성이 높아지고 있다고 밝혔다.

또한 의약품 대비 저렴한 가격과 효과, 화학적 부작용 발생을 원천적으로 차단해 안전성을 장점으로 한다.

참고로 전자약(electronic + pharmaceutical)이라는 개념은 신경생물학, 전자기기, 데이터 과학이 융합된 신기술을 표현하기 위한 신조어로, 넓게 보면 심장박동기(pacemaker)와 인공고막 등의 의료기기도 전자약으로 분류될 수 있다.

이를 현실화시키기 위한 기술 발전에 중요성이 강조되고 있는 가운데 △초소형 신경전극 △초소형 신경신호 처리 및 자극기 △무선통신 및 충전 △폐-루프 제어용 센서 등이 손꼽혔다.

출처 : 전자약 연구개발 동향 보고서, 2020.06, ETRI, 한국의료기기안전정보원 재구성(`22.5.19.)<br>
출처 : 전자약 연구개발 동향 보고서, 2020.06, ETRI, 한국의료기기안전정보원 재구성(`22.5.19.)

대표적으로 말초신경전극은 당초 바이오닉 보철 팔 제어와 촉각 등 인공감각 인지를 위한 인터페이스 목적으로 개발됐으나, 최근 전자약 분야에 적용되고 있고 새 구조와 기능을 가진 전극들이 개발되고 있다.

cuff 전극으로 대표되는 표면 전극은 신경다발을 감싸는 형태로 불연속적인 신경다발을 직접적으로 제어할 수 있다. 다만 감싸는 형태로 인해 한계점도 있는데, 개별 전극면이 안쪽에 위치하고 있어 신경과 전극 사이에는 신경외막이 존재해 일종의 연막과 같은 역할을 하며 신경신호 세기와 전기 자극 효과가 감소할 수 있는 한계가 있다.

다른 형태로는 FINE 전극이 있고, 평평한 형태의 cuff 전극으로 신경을 눌러주도록 설계돼 있어 신경다발이 근막과 분리될 수 있다. 결과적으로 자극과 기록의 선택성이 증가된다.

cuff와 FINE 전극을 보완하기 위한 방법으로 신경에 좀 더 밀접하게 접근할 수 있도록 설계된 분할 링(Split ring) 형태의 전극을 이용한 자극이 시도되고 있다.

정보원은 “기본적으로 표면전극은 전극이 신경과 직접 접촉하지 않기 때문에 특정 신경을 자극하거나 특정 신경 신호를 기록할 수 없는 단점을 가지고 있다”며 “cuff 전극은 약 10년 정도의 삽입 내구성을 가지는 것으로 보고돼 있다”고 설명했다.

절단된 신경만 적용 ‘재생전극’ 안전한 치료 적용 장점 ‘경피신경자극’

또한 재생전극은 절단된 신경 사이에 위치해 신경 재생 기능을 포함하는 전극으로 대표적으로 체 전극(Sieve electrode)과 재생 MEA가 있다. 체 전극은 전도성 물질로 이루어진 미세한 다공성 구조로 구성돼 있고, 공간 분해능이 미세구먼 크기로 정해진다. 신경섬유는 전극 미세구멍을 관통하여 자라면서 절단된 신경이 이어지고 재생이 이뤄진다.

재생 MEA는 신경 재생을 촉진하기 위해 다공 내에 자극용 전극이 배열된 구조의 전극이다. 삽입 후 28일 시점부터 3개월 동안 2.9 ± 0.6개의 뉴런을 구별할 수 있었다는 동물실험 결과가 보고됐으나, 그 이후 실제 임상 적용 사례는 보고된 바 없다. 재생 전극은 선택도가 매우 높으나 절단된 신경에만 적용이 가능하다는 단점이 있다.

한편 경피신경자극, 즉 피부를 통과해 신경을 자극하는 기술은 시술을 필요로 하지 않기 때문에 상대적으로 안전하게 치료에 적용할 수 있는 장점이 있다. 2019년 FDA 허가된 안면 근육통 경감을 위한 휴대용 마이크로 전류 자극기의 사례가 있으며, 다른 전극 형태에 비해 임상 접근 가능성이 높아 다양한 연구가 시도되고 있는 것으로 알려진다.

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