1. 연구개발의 필요성 및 현황

현대사회에서 입시, 취업 및 회사 생활에서의 과도한 경쟁과 점차 변화되어 가는 생활 방식 등으로 인해서 높아져 가는 정신적인 스트레스는 심각한 사회문제이며, 심장마비, 우울증, 극단적으로는 자살충동 등과 같은 생명과 직접적으로 연관된 병을 초래하는 것으로 알려져 전 세계적으로 관심이 높아져가고 있다. 특히, 코티졸(cortisol)이라고 불리는 스트레스 호르몬의 분비가 스트레스와 관련된 질병(만성 피로 증후군, 과민성 대장 증후군, 외상 후 스트레스 장애 등)에 직접적인 영향을 주는 것으로 알려져, 스트레스 호르몬을 정확하고 정밀하게 검지하는 것의 중요성은 점점 커지고 있다.
최근 발생한 각종 대형사고와 같이 큰 사고를 겪은 구조자나 희생자의 가족은 외상 후 스트레스 장애(post disaster trauma syndrome: PDTS)로 인해서 심각한 트라우마에 시달려 일상생활이 어려울 뿐만 아니라 심지어는 극단적인 선택을 하는 경우도 발생하곤 한다. 이러한 문제와 더불어 천재지변과 같은 국가재난은 국가적 차원의 정치·사회적 대응방안의 마련이 요구되며, 이에 수반하여 막대한 경제적 지출요인이 발생하고 있다.
또한, 스트레스 호르몬은 당분, 탄수화물 대사와 같은 다양한 생리과정을 조절하고, 혈압을 유지하며, 심혈관, 면역체계, 골격, 내분비계의 항상성에 있어서도 중요한 역할을 하고 있다. 그리고 일시적인 급성 스트레스를 받을 경우에는 이에 대응하기 위해 생리적인 기능 조절을 통해서 높아진 스트레스 호르몬 레벨을 다시 낮추는 등 매우 중요한 역할을 수행하고 있다. 하지만, 이 스트레스 호르몬 레벨이 다시 떨어지지 않고 만성화가 되면 신체적으로 각종 문제가 발생하게 되며, 만성 스트레스가 지속이 될 경우에는 심각한 질병으로 진행이 될 수 있으며, 결국 전체적인 건강상태에 영향을 미치게 된다. 더불어 스트레스 호르몬의 농도에 따라서 쿠싱병(Cushing’s disease)이나 에디슨병(Addison’s disease)을 초래할 수도 있다.

정신적인 스트레스 및 스트레스 호르몬의 분비와 관련하여 전 세계적으로 관심이 높아지면서 수많은 연구가 진행이 되고 있지만, 대부분의 연구는 피실험자의 타액, 땀, 혈액 등에서 스트레스 호르몬의 순간 검지에 그치고 있는 실정이다. 스트레스 호르몬의 특성상 스트레스와 직접적인 연관이 되어 있으므로 스트레스 호르몬의 검지뿐만 아니라 변화의 정도를 파악하는 것이 중요하다. 현재 대부분의 연구들은 복잡하고 비싼 공정으로 인해서 검지를 하고 분석하기까지 많은 시간이 소요되고, 부정확성과 낮은 안정성으로 인한 실시간 및 국부적 검지의 부족으로 인해서 상용화가 어려운 문제점을 가지고 있다. 즉, 개개인의 스트레스와 관련된 질병판단 및 치료를 위해서 실시간 검지가 필요하며, 나아가 스트레스 호르몬의 분비를 조절함으로써 스트레스 및 관련 질병을 치료 및 예방하는 것이 매우 중요하다.
현재까지 스트레스 호르몬 검지와 관련된 연구들은 소형화된 소자와 미세유체 시스템을 이용하여 실시간 검지의 가능성은 보이고 있지만, 대부분 비외과적인 방법으로 시도를 하고 있으며, 이에 대한 연구도 아직 초반 단계에 머물고 있다.
스트레스 호르몬을 검지하는 방법에 있어서 크로마토그래피(chromatography), 방사 면역 검정법(radioimmunoassay), 전자화학 발광 면역 분석법(electrochemiluminescence immunoassay), 효소-연결 면역흡수 측정 검사(enzyme-linked immunosorbent assay), 표면 플라즈몬 공명(surface plasmon resonance) 혹은 수정 진동자 저울법(quartz crystal microbalance) 등 많은 방법으로 연구가 되고 있지만, 이러한 방법들의 문제점은 추출 및 정제에 있어서 여러 단계를 요구하기 때문에 시간이 오래 걸리고 복잡한 공정이 불가피하다는 것이다.
최근의 연구는 주로 타액 등의 체액에서 전기화학적인 방법을 포함한 다양한 접근법을 이용하여 스트레스 호르몬을 순간 검지할 수 있는 바이오센서를 개발하는 방향이다. 이와 관련하여 미국 University of South Florida의 Shekhar Bhansali 및 Shyam S. Mohapatra 교수진에 의한 연구 결과가 대표적으로, 자가조립단층에 스트레스 호르몬 항체를 공유결합으로 붙인 뒤, 스트레스 호르몬을 검지하거나 자가조립단층과 같은 매개체를 사용하지 않고 금 나노입자를 사용하여 스트레스 호르몬을 검지하였다. 이로 인해, 현장 진단(point-of-care, POC)을 위한 실시간 검지에 대한 관심이 높아지게 되었고, 몇몇 그룹들이 미세유체(microfluidic) 시스템을 활용하여 실시간 검지를 할 수 있는 소자를 개발하였다. 연세대학교의 정효일 교수진 또한 혈액, 타액, 소변 등과 같은 체액에서 스트레스 호르몬을 검지하기 위해 감성진단 칩 등의 바이오칩 기술 개발에 대한 연구를 진행 중이다. 이런 기술 개발들은 실시간 검지의 가능성을 보여주나, 피실험자의 몸에 이식하거나 착용이 가능한 소자들이 아니기 때문에 실제로 국부적인 스트레스 호르몬 검지를 하는 데 있어서 제약이 따른다. (Anal. Chem. 2013, 85, 6553 & Analyst 2014, 139, 1632) 아주 최근에는 성균관대학교 유필진 교수팀이 그래핀 기반의 전기화학적 센서로 코티솔을 고감도로 개발하였으며, 명지대학교 이현호 교수 연구팀에서 부신피질 슬라이스에서 분비되어 나오는 코티솔을 그래핀 센서기반의 시스템으로 측정하여 보고하였다. (Sens.Actuat. 2016, 242, 1121 & Biosens. Bioelect. 2017, 98, 473)

2. 연구개발의 효과 및 전망

최근 스트레스 측정이나 바이오센서에 대해서 관련 연구 기관뿐만 아니라 애플, 삼성전자 등에서도 많은 관심을 보이고 있다. 그 결과로 애플사에서는 ‘iwatch’나 앱의 한 종류로 ‘healthbook’을 출시할 예정이고, 삼성전자에서도 스마트폰 갤럭시 S5에 ‘S헬스’라는 앱을 탑재하여 출시하였다. 사람들이 손쉽게 접할 수 있는 스마트폰, 시계 등에 센서를 도입하여 심박수나 맥박과 같은 물리적인 신호를 읽음으로써 스트레스를 측정하는 것이다. 하지만 이러한 기기들은 스트레스와 관련된 호르몬을 직접적으로 검지하는 것이 아닌 스트레스로 인한 자율신경계의 기능 변화를 통해 얻는 것이기 때문에 정확도에 있어서 현저히 떨어지는 경향을 보이며, 따라서 정확한 스트레스 판단을 위해서는 물리적 센서보다는 고정밀의 화학적 센서 개발 기술이 필요하다.
앞에서 언급한 바와 같이 바이오센서 관련 및 스트레스 관련 질병 연구 기관뿐만 아니라 애플, 삼성전자 등과 같은 IT 회사들도 개개인에 대한 건강관리에 대한 관심도가 높아지면서, 이와 밀접한 관련이 있는 스트레스 측정에 대한 연구가 가속화될 전망이다.

- 개개인의 건강관리에 대한 관심이 높아지면서 질병을 치료하는 개념에서 예방 및 진단의 개념으로 의료 소비의 형태가 변화하는 추세이며,
- 바이오센서 통해 정밀한 의료 서비스가 가능해지면서 원격 의료 및 재택진료 서비스가 보편화될 것이며,
- 또한, 정밀한 바이오센서 의료기 보급 확대와 함께 IT 기술이 융합된 상호 모니터링이 가능한 양방향 통신 기반이 구축되면서, 이와 관련된 시장이 성장할 것으로 예상된다. 

현재, 혈당측정기인 ACCU-CHEK과 같은 기존의 상용화된 바이오센서들은 휴대성이 용이하긴 하지만 대부분 크기가 커서 불편한 점이 있다. 아직까지 상용화되지 않은 바이오센서들 또한 이식, 착용의 개념보다는 휴대성의 개념으로 개발이 되고 있기 때문에, 스트레스 및 스트레스 호르몬 검지를 위한 바이오센서로는 적합하지 못한 점이 있다. 이러한 문제점들을 해결하기 위해 이식 및 착용이 가능한 소형화된 생체 소자를 개발하고, 박막화 기술을 통해서 착용이 가능한 비외과적인 바이오센서 혹은 직접 생체에 이식함으로써 외부의 환경 등에 영향을 받지 않는 장기 안정성이 보장된 나노 소자로 개발할 수 있으리라 예상된다.