땀에서 실시간으로 정보를 얻는 웨어러블 센서

 (A version of the sweat sensor. The large curved sections are electrodes that stimulate sweat production. Credit: Caltech)

(Schematics and images of the wearable biosensor 'NutriTrek'. a, Circulating nutrients such as AAs are associated with various physiological and metabolic conditions. b, Schematic of the wearable 'NutriTrek' that enables metabolic monitoring through a synergistic fusion of LEG, RARs and artificial antibodies. c,d, Schematic (c) and layer assembly (d) of the microfluidic 'NutriTrek' patch for sweat induction, sampling and biosensing. T, temperature. e,f, Images of a flexible sensor patch (e) and a skin-interfaced wearable system (f). Scale bars, 5 mm (e) and 2 cm (f). g, Block diagram of electronic system of 'NutriTrek'. The modules outlined in red dashes are included in the smartwatch version. CPU, central processing unit; POT, potentiometry; In-Amp, instrumentation amplifier; MCU, microcontroller; TIA, trans-impedance amplifier; IP, iontophoresis; CE, counter-electrode; RE, reference electrode; WE, working electrode. h, Custom mobile application for real-time metabolic and nutritional tracking. i, 'NutriTrek' smartwatch with a disposable sensor patch and an electrophoretic display. Scale bars, 1 cm (top) and 5 cm (bottom). Credit: Nature Biomedical Engineering (2022). DOI: 10.1038/s41551-022-00916-z)

 혈액이나 소변 검사를 하면 많은 사실들을 알 수 있습니다. 하지만 둘 다 채취가 번거롭고 실시간으로 변화를 모니터링 하기 어렵다는 단점이 있습니다. 땀은 여러 가지 대사 산물과 물질이 들어 있고 항상 채취가 가능하다는 점 때문에 과거부터 여러 정보를 얻을 수 있는 방법으로 주목 받았습니다. 

 칼텍의 웨이 가오 교수 (Wei Gao, assistant professor of medical engineering)가 이끄는 연구팀은 소량의 땀으로도 많은 물질을 실시간으로 측정할 수 있는 웨어러블 센서를 개발했습니다. 이 센서의 장점은 매우 소량의 땀으로도 지속적인 모니터링이 가능해서 땀이 많이 나지 않는 실제 상황에서 유리하다는 점입니다. 

 아미노산이나 대사 산물 같이 땀에 매우 적게 포함되는 미량 분자도 측정할 수 있는 대표적인 방법은 항체를 이용하는 것입니다. 하지만 항체는 한 번 결합하고 나면 더 이상 쓸 수 없는 문제점이 있습니다. 연구팀은 특정 물질과 결합하는 인공 항체를 만들었습니다. 

 연구팀은 글루타민 분자와 결합하는 인공 항체를 만들기 위해 폴리머에 글루타민 분자를 내부에 결합시킨 후 다시 화학 물질로 제거해 일종의 자국을 만들었습니다. 여기에 글루타민이 결합하고 분리되면서 산화 환원 반응이 일어나 전기 저항이 바뀌게 됩니다. 이 신호를 측정해 실시간으로 농도를 알 수 있는 것입니다. 이때 땀은 0.25mm 굵기의 미세관을 타고 올라가기 때문에 매우 소량만으로도 측정이 가능합니다. 

 연구팀은 이 웨어러블 센서를 이용해 여러 가지 대사 산물과 아미노산 같은 영양 물질의 상태를 측정했습니다. 물론 상용화까지는 아직 먼 길이 남아 있지만, 나중에 임상에서 실제로 쓰이면 얼마나 유용할지 궁금해지는 기술입니다. 

 참고 

https://medicalxpress.com/news/2022-08-wearable-sensor-compounds-human.html

Minqiang Wang et al, A wearable electrochemical biosensor for the monitoring of metabolites and nutrients, Nature Biomedical Engineering (2022). DOI: 10.1038/s41551-022-00916-z