‘피부에 심는’ 비만 치료 장치… “전류 흘려 포도당을 소변으로 배출”[Science]

■ 취리히 연방공대 등 연구진, ‘ECHO’ 시험 결과 발표
길이 3㎝ ‘전기 촉매 장치’ 이식
혈당수치 변화 감지해 자동작동
포도당 → 글루콘산염 산화 처리
당뇨 쥐 60~90분만에 ‘정상화’
6주간 체중 최대 10% 줄어들어
식욕 변화없이 중성 지방 감소
사람 대상 임상시험 결과 없고
주사 약물과 효과 비교는 아직
체내 이물반응 우려 해소 관건

위고비·마운자로 등 글루카곤 유사 펩타이드-1(GLP-1) 작용제 계열의 비만·당뇨 치료제가 각광받고 있다. 몸에 투여된 약물이 식욕을 낮추고 혈당 조절을 돕는 방식이다. 그런데 주사를 통해 약물을 투여하지 않고 전기 신호로 몸속 포도당을 다른 물질로 바꿔 혈당과 체중을 함께 낮출 수 있다는 연구 결과가 나왔다. 피부밑에 길이 3㎝짜리 ‘전기 화학공장’을 심어 포도당을 신장으로 배출 가능한 물질로 전환하는 발상이다.

스위스 취리히연방공대(ETH 취리히)와 프랑스 리옹대, 스위스 바젤대 공동연구진은 무선 전기촉매장치 ‘ECHO’를 당뇨·비만 쥐에게 시험한 결과 작동 60∼90분 만에 혈당이 정상 범위로 내려갔다고 밝혔다. 하루 1시간씩 6주간 장치를 가동한 쥐는 체중이 최대 10% 감소했다. 연구 결과는 지난달 22일 국제학술지 ‘사이언스’에 실렸다.

◇전기로 포도당 바꾸는 3㎝ 장치= ECHO의 핵심은 피하에 이식하는 전기촉매다. 30×17.5×10㎜ 크기의 작은 장치가 혈관을 빠져나와 조직액으로 이동한 포도당과 닿으면 전기화학 반응을 일으킨다.

연구진은 전기가 잘 흐르고 구멍이 많은 흑연 펠트 위에 금 나노구조를 만들고, 그 표면에 10나노미터(㎚)보다 작은 백금 입자를 올렸다. 넓은 표면적을 확보해 포도당이 촉매와 접촉하기 쉽게 하고 전자 이동도 빠르게 하기 위해서다. 장치에 0.75V 전압과 10㎃의 전류를 가하면 세포나 효소 없이도 포도당이 글루콘산염으로 산화된다.

연구진은 선행연구를 근거로 생성된 글루콘산염 대부분이 신장을 거쳐 소변으로 배출된다고 설명했다. 기존 치료제들이 인슐린 분비를 늘리거나 식욕을 줄여 세포의 포도당 이용을 조절한다면, ECHO는 포도당 자체와 여기에서 얻을 수 있었던 에너지 일부를 몸 밖으로 내보내는 접근이다.

장치의 전력도 몸 밖에서 공급한다. 외부 송신기가 산업·과학·의료용 주파수인 13.56㎒를 이용해 피부밑 수신 코일로 무선전력을 보낸다. 여기에 연속혈당측정기(CGM)를 결합했다. 혈당이 설정값을 넘으면 제어기가 외부 전원장치를 켜고, 혈당이 내려가면 끄는 순환식 구조다. 실제 동물실험에서는 CGM 판독기의 진동 알림을 별도 진동센서와 아두이노 제어기가 감지해 전원을 작동시켰다.

◇60∼90분 만에 정상 혈당= 연구진은 유전적으로 비만과 제2형 당뇨병을 가진 쥐의 피하에 ECHO를 이식했다. 주요 실험군은 각각 8마리로 대부분 수컷이었다. 장치를 0.75V·10㎃로 가동하자 고혈당 상태였던 쥐의 혈당이 60∼90분 만에 정상 범위로 내려갔다. 장치는 이식했지만 전원을 켜지 않은 쥐에게서는 같은 변화가 나타나지 않았다.

다만 전원을 끄면 혈당은 다시 상승했다. 한 차례 작동으로 당뇨병이 치료된 것이 아니라, 전기를 공급하는 동안 포도당을 처리해 혈당을 낮췄다는 의미다. 연구진은 이어 장치를 하루 60분씩 6주간 반복 가동했다. 이 기간 혈당 감소 효과가 재현됐고, 치료한 쥐의 체중은 최대 10% 줄었다.

대사 지표도 변했다. 장치를 가동한 쥐에게서는 혈중 중성지방과 인슐린 농도가 낮아진 반면, 유리지방산과 케톤체인 베타하이드록시부티레이트·아세토아세테이트 농도는 높아졌다. 연구진은 배출된 포도당만큼 사용할 수 있는 에너지가 감소하면서 몸이 저장 지방을 더 많이 동원한 결과라고 해석했다. 먹이 섭취량에서는 뚜렷한 변화가 나타나지 않았다.

자동제어 실험에서는 CGM이 고혈당을 감지할 때마다 장치를 5분씩 가동했다. 총 12일간의 관찰에서 혈당을 설정 범위에 안정적으로 유지하면서 과도하게 낮아지는 현상은 나타나지 않았다고 연구진은 밝혔다. 쥐의 혈액 pH도 7.35 아래로 떨어지지 않았고, 시험 조건에서 혈청과 장기 조직의 금·백금 유출도 검출되지 않았다. 이식 3개월 뒤에도 촉매의 포도당 산화 기능이 유지됐다.

◇‘전기식 마운자로’ 되려면= 이번 연구는 당뇨·비만 쥐를 대상으로 한 전임상 개념증명이다. 사람이나 대형동물을 대상으로 효과와 안전성을 시험한 결과가 아닐뿐더러 위고비·마운자로나 인슐린과 효과를 직접 비교한 임상시험도 없다. 다만 약물 없이 혈당과 체중을 함께 조절한다는 가능성을 확인했다는 데 의미가 있다. 특히 기존의 당뇨·비만치료제들이 호르몬 분비를 조절하는 것과 달리 포도당 자체를 내보낸다는 점에서 그 기전이 완전히 다르다는 것이다.

사람에게 적용하는 데 있어 가장 큰 과제는 처리할 포도당의 양이다. 사람 몸에서는 식사를 통해 흡수되는 포도당뿐 아니라 간이 새로 만드는 포도당까지 지속해서 처리해야 한다. 연구진은 5ℓ 규모의 포도당 용액을 순환시키는 시험에서 전극 면적을 키우면 산화량도 증가한다고 밝혔다. 다만 사람의 혈액이나 조직에서 수행한 시험이 아니라는 점은 약점이다. 실제 사람에게 적용하기 위해선 피하 촉매까지 포도당이 이동하는 속도와 하루에 제거할 수 있는 양, 필요한 장치의 크기와 작동 시간을 확인해야 한다.

글루콘산염의 배출 경로도 변수다. 신장 기능이 떨어진 당뇨병 환자가 장기간 사용해도 문제가 없는지, 산·염기 균형이나 전해질에 부담을 주지 않는지 검증해야 한다. 체액 속 단백질이 전극 표면을 덮거나 이물반응으로 장치 주변에 섬유성 피막이 생기면 촉매 성능이 떨어질 가능성도 있다. 센서 오류나 통신 장애가 생겼을 때 전원이 자동 차단되는 안전장치도 필요하다.

연구진은 ECHO가 포도당을 감지하는 단계에서 실제로 제거하는 단계까지 자동으로 연결할 가능성을 보여줬다고 평가했다. 쥐에게서 확인한 ‘전기 화학공장’이 사람 몸에서도 충분한 양의 포도당을 수년간 안전하게 처리할 수 있는지 입증하면 전기식 비만·당뇨치료 상용화 가능성을 가늠해볼 수 있다.

구혁 기자