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1. 개요

가. 기술의 정의

혈중 포도당의 농도를 측정하고 관리하는 것은 현대인의 만성질환 중의 하나인 당뇨병을 관리하기 위해 꼭 필요한 인자이다. 국제당뇨연합(IDF)이 2015년 World Diabetes Congress 2015에서 발표한 통계에 따르면 2014년에는 10명 중 1명이 당뇨병으로 앓을 것이라 보고 있다. 특히 전세계 당뇨환자는 90% 이상이 제2형 당뇨로서 인슐린저항성과 상대적 인슐린 부족 환자라고 한다. 전향적 연구인 Diabetes Control and Complication Trial (DCCT)와 UK Prospective Diabetes Study (UKPDS)에서 제1형과 제2형 당뇨병환자에 대한 적극적인 혈당조절은 지속적으로 미세혈관합병증(망막병증, 신증, 신경병증)과 대혈관합병증의 발생 및 진행을 줄인다고 보고하고 있다.

지속적으로 혈당을 관리하는 방법으로는 크게 두 가지로 얘기할 수 있다. 자가 측정용 시스템을 활용하는 방법과 특정 부위의 몸에 부착하여 혈당을 모니터링하는 시스템으로 구분할 수 있다. 자가 측정용 시스템은 휴대가 가능하며, 측정기와 일회용의 검사지를 이용하여 매일 변화되는 혈당을 식사 전/후로 구분을 지어서 체크함으로써 당뇨병을 관리할 수 있다. 이런 경우는 매일 규칙적으로 채혈도구를 이용하여 손가락 끝 또는 대체부위의 혈액을 소량(보통 1ul이하) 사용해서 측정이 가능하며, 기본적인 측정원리는 아래 그림 1과 같다. 즉, 혈중 포도당을 분해하는 산화효소가 포도당을 분해하면 과산화수소가 생성되며, 전극에서 분해되도록 일정한 전압을 인가하면 분해가 되며, 이때 생성되는 전자가 전자전달매개체를 통해 전극에서 일정량의 전류의 세기로 나타나게 된다. 이때 생성된 전류는 혈중 포도당의 농도와 비례하므로 혈당 수치를 정량화 할 수 있다(그림 1).    

[그림 1. 전기화학 방식의 혈당 측정 원리 및 제품(Veri-Q Balance)]

이런 기본적인 메커니즘은 휴대형의 자가혈당측정 시스템에만 적용되는 것이 아니라 연속혈당측정 시스템에도 동일한 메커니즘이 사용되기도 한다. 혈중 (또는 간질액) 포도당을 정해진 시간 내에 균일하게 분해시키고 일정한 전류로 생성되게 하기 위해서는 균일한 센서의 제작이 매우 중요하며, 이런 제조 및 생산 기술을 바탕으로 실사용자가 신뢰성 있는 제품으로 받아들이기 위해서는 다양한 오차 및 변수를 고려한 측정의 보정도 수반 되어야한다. 이런 연속형 혈당측정 기술은 혈액 채취 없이 비침습적인 방법으로 혈당을 연속적으로 측정하는 센서의 고도화 기술이 필요하며(그림 2), 이런 비침습형 혈당 측정 시스템의 요구가 많아지는 것은 채혈에 대한 부담감과 규칙적으로 측정해야하는 번거로움과 불편함으로부터 벗어나고자 하는 니즈가 강하기 때문이다.

특히 침습형이긴 하지만 통증이 거의 없는 형태의 인체 부착형의 연속혈당측정시스템(CGMS, Continuous Glucose Monitoring System)은 피부에 삽입되는 부분(니들)이 매우 가늘고 짧게 제작(6~14mm, Dexcom SEVEN Plus, Medtronic, Abbott의 FreeStyle Navigator 등)되어 피부 자극을 최소화함으로 측정시 통증없이 일정 기간동안 연속적으로 혈당값을 모니터링 할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 그러나 CGMS의 가격이 고가(휴대형 시스템 대비 50~100배 이상)로서 지속적인 개발을 통해 저렴하게 공급할 수 있도록 해야 당뇨를 앓고 있거나 관리가 필요한 환자들의 경제적인 부담을 줄일 수 있을 것이다. 

[그림 2. 마이크로니들 방식의 피하 삽입 상태 및 센싱 모식도]

연속식 혈당 모니터링 시스템은 다양한 기술을 도입하여 측정함에 있어서 가장 신뢰성 및 정확도가 높은 방식은 마이크로 니들 방식이라 할 수 있다. 혈당 측정시 개인별 편차 및 생체물질의 구성성분(간섭영향 등)의 차이가 있기 때문에 선택적으로 포도당을 분해하는 방식이 저혈당까지 측정할 수 있는 고감도 센서 기술이면서 가장 신뢰성이 높다고 할 수 있다. 그림 3과 같이 휴대형 및 자가 혈당 측정 시스템을 사용하기 위해서는 손가락 끝에서 채혈기를 이용하여 통증이 동반되는 채혈 방식으로 일정량의 모세혈을 측정기와 결합된 검사지에 주입함으로서 측정하는 복잡한 측정 단계로 이루어져 있는 시스템 보다는 채혈 고통 및 통증에서 벗어나 측정할 수 있는 방식 중 하나인 마이크로 니들 방식의 연속혈당 측정 시스템은 측정부위에 부착한 후에 체액 탐지형의 니들이 피하에 삽입되는 센서의 침습 깊이를 최소화하고 삽입과정을 간편화 시킨 기술을 바탕으로 사용자의 불편함을 해소할 수 있다(그림 3).

그러나 니들의 균일한 제작과 피하에 삽입된 니들의 특정부위에 포도당 산화 효소를 균일하면서 안정적으로 고정화하는 방식은 매우 중요한 핵심 기술 중의 하나라고 할 수 있다. 이런 핵심기술이 대량화와 일정 시간 동안 안정성을 유지할 수 있도록 하기 위해서는 제조하는 공정 또는 고난이도의 센싱 기술 개발이 수반되어야 한다. 그러나 니들 방식의 연속혈당 측정 시스템에서는 니들이 피하에 삽입되어 있는 동안 다양한 생체물질(단백질 및 이온 등)과의 접촉이 지속적으로 이루어지기 때문에 사용자 입장에서는 주기적인 관리나 교체가 필요한 단점이 있기도 하다.          

[그림 3. 자가 혈당 측정시스템 측정 단계 및 현속 혈당 측정 시스템 비교]

이런 관리상의 문제를 보완하기 위해 개발되는 CGMS로는 라만분광학이나 광음향 기술, 열, 초음파 등의 원리를 이용하여 혈당을 모니터링 기술이 접목된 제품도 개발되고 있다(표 1). 그러나 이런 다양한 기술을 접목하여 CGMS의 제품화까지 완성되기는 더 많은 기술개발과 안정화 및 성능 검증이 지속적으로 필요하며 상당한 시간(최소 5년 이상)이 소요될 것으로 생각된다. 왜냐하면 사용자 기준 하에서 혈당을 측정하고 실시간 모니터링을 하기 위해서는 상용화 기준을 만족해야하며, 이를 위해서는 국제 규격(ISO15197:2013)에 만족하는 제품으로 인증을 획득해야한다. 저혈당이 발생할 경우 생명유지와 직결되는 위험관리를 해야 하는 인자로서 국제 규격 기준이 매우 높은 수준이다. 예를 들어, 정확도 기준만 고려했을 때에도 100mg/dL 미만은 ±15mg/dL, 100mg/dL이상에서는 기준대비 ±15% 이내에 95% 이상이 수렴 되어야하며, 간섭물질을 고려한 기준 하에서는 각각 ±10mg/dL, Bias ±10%를 가이드로 제시하고 있다. 이외에도 다양한 성능평가 기준을 만족하기까지는 난이도가 높은 기술개발이 필요하기 때문이다.

[표 1. 혈당 측정 방식 및 측정 기술 비교[1]]

나. 활용 분야

당뇨병은 현대에서 가장 중요한 만성질환으로 당뇨병 환자가 세계 3.5억명이며, 2030년에는 약 5.5억명으로 늘어날 것으로 예측하고 있다. 혈당측정 기기는 가정용 진단시장의 80%, 현장진단시장의 30%를 차지하며 개인용 혈당측정 기기는 2011년 세계시장 97억 달러로서 연평균 성장률 4.7%로 2018년 133억 달러로 성장 전망하고 있다(출처: 2013년 한국보건산업진흥원이 발행한‘의료기기 시장 품목 리스트 – 개인용 혈당 측정장치’)[2].

당뇨병은 엄격한 관리가 수반되지 않을 경우 여러 특징적인 대사 이상을 수반하여 장기, 순환계 및 시력 관련 질환을 유발하여 심각한 합병증을 가져오는 질환으로 주기적인 혈당 검사 및 관리가 매우 중요하다 할 수 있다. 현재의 자가혈당 측정 시스템은 채혈 방식으로 하루에 몇 번씩 시행되는 검사를 통해 육체적, 정신적 고통뿐만 아니라, 감염의 위험에 노출될 수 있는 단점들이 있다. 이러한 이유로 실제 당뇨질환자의 혈당분석 기기 사용에 대한 설문 조사 결과 자가혈당측정의 중요성에 대한 인식은 낮고 실천이 미흡하였으며 응답자 중 약 80% 는 하루 한번도 자가혈당 측정을 하지 않고 있었으며, 약 40%는 자가 혈당측정기를 사용하지 않는다고 한다(그림 4).