의생명 수학과 마이크로로봇은 질병 치료를 어떻게 바꾸는가?

TL;DR

개인의 생체 리듬을 수학적으로 분석하면 수면 시간과 치료 효과를 예측할 수 있고, 자성 마이크로로봇은 카테터가 닿지 못하는 혈관을 치료할 가능성이 있다. 다만 시간대별 암 치료 연구와 체내 로봇 기술은 더 큰 후속 연구와 안전성 검증이 필요하며, 부족한 연구비와 인재 유출은 한국 과학계가 해결해야 할 현실적인 문제다.

Transcript

공대에 미친 중국, 의대에 미친 한국. >> 솔직하게 미국의 학회를 예전에는 메인으로 저는 갔었는데 요즘은 중국 학회를 가면 더 충격적인게 더 많아요. >> 한국에 처음 와 가지고 교주를 한 거죠. 근데 연구비가 생각보다 너무 적은 거예요. 결국 장비도 하나도 못 사고 시작을 할 수가 없는 거죠. 밖에 좀 연급이 좀 주세요. 좀 필요합니다. 진짜 이 >> 한 친구들은 이미 떠나기 시작을 했고요. 애국심으로만은 버티기는 요새는 아니에요. >> 안녕하세요. 한석준입니다. 지식의 깊이를 두 배에 더해 드리는 지식인 초대석 합석. 오늘은 세상의 모든 질병을 수학으로 읽어 드리는 카이스트의 김재경 교수님. 그리고 막힌 혈관을 개... Read More

Key Insights

• 의생명 수학은 인체에서 일어나는 복잡한 현상을 수식으로 번역해 원인을 설명하고 미래 상태를 예측하는 연구 분야다.
• 스마트워치로 축적한 개인 데이터와 수면의 공통 메커니즘을 함께 쓰면 잠들고 깨는 시간대를 개인별로 예측할 수 있다.
• 인체의 체온과 호르몬, 면역 활동, 간의 약물 분해 속도는 일정하지 않고 하루 24시간 주기에 따라 계속 달라진다.
• 여성 혈액암 환자 100여 명을 관찰한 연구에서는 오전 치료군의 사망이 약 25%였고 오후 치료군은 두 명이었다.
• 자성 마이크로로봇은 600, 300, 100마이크론 규모로 제작되며, 약 1.4mm 크기의 동맥 안으로 들어갈 수 있다.
• 여러 마이크로로봇을 함께 보내면 일부가 실패하더라도 나머지가 장애물 통과나 물체 이동 같은 임무를 완수할 수 있다.
• 마이크로로봇은 카테터가 닿지 못하는 약 4cm 구간을 이동해 혈전을 처리한 뒤 다시 카테터로 돌아오는 방식을 목표로 한다.
• 한국의 부족한 연구비는 연구 시작 자체를 어렵게 하지만, 자원이 적은 조건이 빛 대신 자성을 택하는 새로운 방향으로 이어지기도 했다.

Questions & Answers

Q: 의생명 수학이란 무엇이며 인체 연구에 어떻게 활용되는가?

의생명 수학은 의학과 생명과학의 현상을 수학이라는 언어로 표현하는 분야다. 분자와 세포의 상호작용, 수면, 생체 시계처럼 복잡한 인체 시스템을 수식으로 번역하면 컴퓨터로 원인을 분석하고 현상을 설명하며 앞으로의 상태를 예측할 수 있다.

Q: 수학으로 개인에게 적합한 수면 시간을 어떻게 예측하는가?

스마트워치 등으로 얻은 개인의 실시간 정보에서 좋은 수면으로 이어지는 패턴을 찾고, 인간의 수면을 결정하는 공통 메커니즘을 수식으로 만든다. 두 정보를 결합하면 특정 사람이 언제 졸리고 언제 깰 가능성이 큰지 계산해 깊은 잠을 얻기 좋은 시간대를 제안할 수 있다.

Q: 약을 투여하거나 암을 치료하는 시간이 왜 중요한가?

인체의 체온과 호르몬 양, 면역계 활동, 간의 약물 분해 속도는 아침과 점심, 저녁에 서로 다르다. 따라서 같은 약을 사용해도 표적 시스템의 상태와 신체 반응이 달라질 수 있다. 치료 종류와 환자 특성에 따라 유리한 시간이 달라질 가능성이 있으므로 후속 검증이 필요하다.

Q: 여성 혈액암 환자의 치료 시간 연구에서는 어떤 결과가 나왔는가?

서울대병원과 진행한 100여 명 규모의 연구에서 환자를 5년 동안 추적한 결과, 오전 치료 여성 환자는 약 25%가 사망한 반면 오후 치료군에서는 두 명이 사망했다. 오전 치료군에는 백혈구 관련 부작용이 많았지만, 표본이 크지 않아 결과를 곧바로 모든 환자에게 일반화할 수는 없다.

Q: 개미처럼 움직이는 자성 마이크로로봇의 장점은 무엇인가?

한 대의 큰 로봇은 고장 나면 임무 전체가 실패하지만, 다수의 작은 로봇은 일부가 실패해도 다른 로봇이 임무를 이어갈 수 있다. 약 100개를 함께 만들어 집단으로 조립하면 긴 형태를 구성해 장애물을 넘거나 물체를 밀 수 있으며, 모든 개체가 성공할 필요도 없다.

Q: 마이크로로봇은 막힌 혈관 치료에 어떻게 사용될 수 있는가?

현재 카테터는 두껍고 비교적 곧은 혈관에는 들어가지만, 더 가늘고 굽은 혈관에서는 벽을 찌를 위험이 있다. 마이크로로봇은 카테터가 멈춘 지점부터 약 4cm를 더 이동해 혈전을 기계적으로 뚫고 돌아오는 방식을 목표로 하며, 지금 치료하기 어려운 환자에게 새로운 가능성을 줄 수 있다.

Q: 혈관에 투입한 마이크로로봇은 어떻게 회수하거나 처리하는가?

카테터가 접근 가능한 지점까지 들어간 뒤 작은 로봇들이 더 깊은 구간으로 이동하고, 임무가 끝나면 다시 카테터로 돌아오게 하는 회수 방식이 제시됐다. 다른 방법으로는 체내에서 분해될 수 있도록 이미 FDA 승인을 받은 고분자를 사용해 복합재를 만드는 구상이 있지만, 아직 아이디어 단계다.

Q: 마이크로로봇은 암 치료에 어떤 역할을 할 수 있는가?

마이크로로봇이 종양 부위로 약물을 직접 운반하면 전신에 약물이 퍼지는 것을 줄이고, 원하는 곳에 높은 농도로 전달한 뒤 서서히 방출할 수 있다. 또한 자성 입자를 외부 자극으로 흔들어 열을 발생시키고, 정상세포보다 낮은 온도에서 죽는 암세포를 표적으로 처리하는 방법도 제시됐다.

Q: 연구비 부족은 자성 마이크로로봇 연구의 출발에 어떤 영향을 줬는가?

위정재 교수는 한국에 온 뒤 빛에 반응하는 소프트 로봇을 연구하려 했지만, 연구비가 적어 필요한 장비를 구입할 수 없었다. 대신 몇십만 원짜리 장비로 시작할 수 있는 자성 연구를 선택했고, 자성이 빛보다 인체를 투과해 제어하기 유리하다는 점에서 바이오 연구로 방향을 전환했다.

Q: 장기간 실패한 연구 경험은 어떤 성과로 이어졌는가?

김재경 교수는 온도가 올라가도 생체 시계가 24시간 주기를 유지하는 문제에 도전해 1년 동안 아침 7시부터 밤 12시까지 매달렸지만 결과를 얻지 못했다. 이후 다른 연구를 하다가 해결의 영감을 얻었고, 약 7년에 걸쳐 답을 찾아 논문을 출판했으며 그 연구는 교수가 되는 데에도 중요한 역할을 했다.

Q: 한국의 젊은 과학자들이 해외로 향하는 이유로 무엇이 제시됐는가?

대담에서는 한국에서 연구를 시작할 때 필요한 장비조차 사기 어려울 만큼 연구비가 부족할 수 있다는 현실이 제시됐다. 또한 젊은 연구자들이 이미 떠나기 시작했고 애국심만으로 버티기 어려운 상황이라고 지적했다. 인재와 학생을 지키려면 안정적으로 연구할 자원과 환경이 필요하다는 취지다.

Summary & Key Takeaways

• 의생명 수학은 세포와 분자의 상호작용, 수면과 생체 시계 같은 복잡한 인체 현상을 수식으로 번역해 컴퓨터로 분석한다. 스마트워치 데이터와 공통 생리 메커니즘을 결합하면 개인이 졸리는 시간과 깨어나는 시간, 깊은 잠에 들 가능성이 높은 구간을 예측할 수 있다.

• 자성 마이크로로봇은 수백 마이크론 크기로 제작되며, 여러 개가 집단을 이루어 장애물을 넘거나 물체를 밀도록 설계된다. 장차 카테터가 접근하기 어려운 가늘고 굽은 혈관에서 혈전을 뚫고, 표적 부위에 약물을 전달하거나 열을 발생시키는 치료에 활용될 가능성이 있다.

• 두 연구자는 연구비 부족과 장기간의 실패가 새로운 연구 방향과 성과로 이어진 경험을 공유한다. 그러나 일부 젊은 연구자들은 이미 해외로 떠나기 시작했고 애국심만으로 버티기 어렵다는 현실도 지적한다. 지속적인 연구를 위해서는 충분한 자원과 실패를 견디는 환경이 필요하다.