혈액은 인체 건강 상태를 가장 직접적으로 보여주는 중요한 지표 중 하나다. 최근 혈액검사를 통해 조기 진단할 수 있는 질병이 늘어나면서, 혈액검사 지표의 정밀한 분석에 관한 관심도도 높아지고 있다. 국내 연구진이 혈액검사 지표를 전기적으로 도출할 수 있는 혈액 정밀검사 기술을 개발했다.
혈류 상태의 정밀 분석 기술
광주과학기술원(GIST) 기계로봇공학과 양성 교수 연구팀은 혈액을 구성하고 있는 성분들의 유전 특성(dielectric properties)을 실시간으로 측정·분석했다. 유전 특성이란 어떤 성분이나 물질이 전기장에 어떻게 반응하는지에 관한 물리적 특성을 말한다.
GIST 연구팀은 이를 바탕으로 혈류 상태에서 적혈구의 배열과 적혈구 내부의 ‘헤모글로빈 수화 구조’를 분석할 수 있는 새로운 센서 기술을 개발했다고 밝혔다.
이 기술은 다양한 주파수의 전기 신호에 대한 반응을 측정·분석하는 ‘전기화학 임피던스 분광법(EIS)’과 머리카락 굵기 수준의 미세 채널로 액체를 정밀하게 제어하는 ‘마이크로플루이딕(Microfluidic)’ 기술을 결합했다. 실제 혈액이 흐르고 있는 상태에서 적혈구의 배열 방향성과 세포 내부 수분 구조까지 측정할 수 있는 혈액 정밀검사법이라는 것이 연구팀의 설명이다.
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* 헤모글로빈의 수화 구조 (Hemoglobin Hydration Shell) : 헤모글로빈 분자 주변에 물 분자가 결합해 형성되는 얇은 수분층으로, 헤모글로빈의 기능과 안정성에 중요한 역할을 한다. 이 구조는 산소와 결합한 상태에 따라 변한다. |
신속 정확한 혈액 정밀검사 기술
빠르고 정밀한 혈액 진단 기술은 의료 기술 발전의 핵심 분야로 꼽힌다. 특히 혈액 검사의 경우 환자 부담이 비교적 적은 데다가 이를 통해 다양한 질병의 초기 징후를 감지할 수 있는 수단이다. 즉, 혈액 정밀검사 기술이 발전하면 질병의 조기 진단 사례가 늘어날 것이고, 이에 따른 맞춤 치료가 가능해져 환자와 의료 분야 양측의 부담이 크게 줄어들 수 있다.
이 가운데 EIS는 비침습적이고 민감도가 높아, 혈액 정밀검사 및 성분 분석에 적합한 기술로 주목받아 왔다. 그러나 기존 연구들은 대부분 정지된 상태의 혈액을 분석 대상으로 사용했다. 이 때문에 혈액 속 적혈구들이 서로 응집하거나 침전하는 현상이 발생했고, 측정 정확도가 떨어지는 한계가 있었다.
또한, 기존 이론 모델은 적혈구의 배열 상태나 헤모글로빈의 수화 구조를 고려하지 않아, 임피던스 스펙트럼 해석에도 제약이 따랐다. 보다 정교한 분석을 위해서는 이를 개선할 필요가 있었다.
GIST 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 실제 혈류 환경을 모사한 마이크로플루이딕 채널을 활용해 혈액 임피던스를 측정하고, 이에 대한 분석을 진행했다. 특히, 적혈구 배열 상태를 정량화할 수 있는 선호 배열 지수 개념을 도입해 분석한 결과, 전체 적혈구 중 약 34%는 흐름 방향으로 정렬되고, 나머지 66%는 무작위로 배열돼 있는 것으로 나타났다.
연구팀은 또한, 적혈구 내부를 단순한 용액이 아니라, ‘이중 수화 껍질을 갖는 헤모글로빈 콜로이드’로 모델링해 세포 내부의 물리적 특성까지 고려한 보다 정밀한 EIS 해석이 가능해졌다고 설명했다.
6가지 주요 혈액학 지표 도출
이론 기반 분석을 통해 연구팀은 실제 혈액에서 적혈구와 관련된 6가지 주요 혈액학적 지표를 도출했다. 도출된 지표는 ▴적혈구 수(RBC, Red Blood Cell count) ▴헤모글로빈 농도(Hb, Hemoglobin) ▴헤마토크릿(HCT, Hematocrit) ▴평균 적혈구 용적(MCV, Mean Corpuscular Volume) ▴평균 적혈구 헤모글로빈(MCH, Mean Corpuscular Hemoglobin) ▴평균 적혈구 헤모글로빈 농도(MCHC, Mean Corpuscular Hemoglobin Concentration)로, 혈액 내 적혈구의 상태와 기능을 정확히 파악하는 데 중요한 역할을 한다.
특히 이들 지표는 실제 임상 혈액검사 결과와 비교했을 때, 계산된 값과의 오차가 3.5% 미만으로 나타났다. 혈액 정밀검사 기술로서 높은 정확도와 신뢰성을 입증한 것이다.
양성 교수는 “이번 연구는 단순히 흐르는 혈액의 임피던스를 측정하는 데 그치지 않고, 적혈구 배열 특성과 헤모글로빈 수화 구조까지 정량적으로 해석할 수 있는 분석 기법을 제시했다는 점에서 의미가 크다”며, “이 기술은 향후 스마트 헬스케어 기기나 병원용 실시간 혈액 검사기 등 다양한 의료 분야에 폭넓게 응용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.
GIST 기계로봇공학과 양성 교수가 지도하고, 즈바노브 알렉산더(Zhbanov Alexander) 연구교수와 이예성 석박사통합과정생이 공동 제1저자로 수행한 이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 중견연구자지원사업의 지원을 받았다. 연구 결과는 화학 분야 국제 학술지 「분석 화학(Analytical Chemistry)」에 지난 1월 25일 표지논문으로 게재됐다.
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