당뇨병은 신체가 인슐린을 너무 적게 생산하거나 전혀 생산하지 않는 상태이다. 따라서 당뇨병 환자는 주사나 펌프를 통한 이 호르몬의 외부 공급에 의존한다.

스위스 바젤 소재 ETH 취리히(ETH Zurich)의 바이오시스템 과학 및 엔지니어링 부서의 마틴 푸세네거(Martin Fussenegger)가 이끄는 연구원들은 당뇨병 환자의 삶을 더 쉽게 만들고자 하며 체내에서 직접 인슐린을 생산하고 투여할 수 있는 솔루션을 찾고 있다.

과학자들이 추구하는 해결책 중 하나는 인슐린을 생산하는 설계 세포를 체내에 이식할 수 있는 캡슐에 넣는 것이다. 세포가 혈액으로 인슐린을 방출하는 시기와 양을 외부에서 제어할 수 있도록 연구자들은 최근 몇 년간 빛, 온도, 전기장 등 다양한 유발 요인을 연구하고 적용해 왔다.

푸세네거와 그의 동료들은 이제 또 다른 새로운 자극 방법을 개발했다. 그들은 음악을 사용하여 세포가 몇 분 안에 인슐린을 방출하도록 촉발한다. 특히 영국 록밴드 퀸(Queen)의 글로벌 히트곡 '위 윌 락 유(We Will Rock You)'와 잘 어울린다.

인슐린 생산 세포가 음파를 수용하도록 만들기 위해 연구진은 대장균 박테리아의 단백질을 사용했다. 이러한 단백질은 기계적 자극에 반응하며 동물과 박테리아에서 흔히 볼 수 있다. 단백질은 박테리아의 막에 위치하며 칼슘 이온이 세포 내부로 유입되는 것을 조절한다. 연구자들은 이 박테리아 이온 채널의 청사진을 인간의 인슐린 생산 세포에 통합했다. 이를 통해 세포는 스스로 이온 채널을 생성하고 이를 세포막에 내장할 수 있다.

과학자들이 보여줄 수 있듯이, 이 세포의 채널은 소리에 반응하여 열리며 양전하를 띤 칼슘 이온이 세포 안으로 흘러 들어갈 수 있다. 이로 인해 세포막의 전하 역전이 발생하고, 이로 인해 세포 내부의 인슐린으로 가득 찬 작은 소포가 세포막과 융합되어 인슐린을 외부로 방출하게 된다.

세포 배양에서 연구자들은 먼저 이온 채널을 가장 강력하게 활성화하는 주파수와 부피 수준을 결정했다. 그들은 약 60데시벨(dB)의 볼륨 수준과 50Hz의 저음 주파수가 이온 채널을 유발하는 데 가장 효과적이라는 것을 발견했다. 최대 인슐린 방출을 유발하려면 소리나 음악이 최소 3초 동안 계속되고 최대 5초 동안 멈춰야 했다. 간격이 너무 멀면 인슐린이 상당히 적게 방출된다

마지막으로 연구자들은 어떤 음악 장르가 85dB의 볼륨에서 가장 강한 인슐린 반응을 일으키는지 조사했다. 퀸의 노래 'We Will Rock You'처럼 쿵쾅거리는 베이스가 돋보이는 록 음악이 1위에 올랐고, 액션 영화 '어벤져스' 사운드트랙이 뒤를 이었다. 이에 비해 클래식 음악과 기타 음악에 대한 인슐린 반응은 다소 약했다.

"We Will Rock You"는 5분 이내에 인슐린 반응의 약 70%를 촉발했으며, 모든 반응은 15분 이내에 발생했다. 이는 건강한 개인의 자연적인 포도당 유발 인슐린 반응과 비슷하다고 푸세네거는 말한다.

시스템 전체를 테스트하기 위해 연구자들은 인슐린 생산 세포를 쥐에 이식하고 동물의 배가 스피커에 직접 닿도록 배치했다. 이것이 연구자들이 인슐린 반응을 관찰할 수 있는 유일한 방법이었다. 그러나 동물들이 "쥐 디스코"에서 자유롭게 움직일 수 있었다면 음악은 인슐린 분비를 촉발하지 못했다.

푸세네거는 “우리의 디자이너 세포는 올바른 소리의 음원이 임플란트 위 피부에 직접 재생될 때만 인슐린을 방출한다.”고 설명한다. 호르몬의 방출은 항공기 소음, 잔디 깎는 기계 소리, 소방대 사이렌 소리, 대화 등 주변 소음에 의해 유발되지 않았다.

푸세네거는 세포 배양 및 생쥐에 대한 테스트에서 알 수 있는 한 인간에 이식된 세포가 약간의 소음에도 지속적으로 인슐린을 방출할 위험이 거의 없다고 생각한다.

또 다른 안전 완충 장치는 인슐린 저장소가 고갈된 후 완전히 보충되기까지 4시간이 필요하다는 것이다. 따라서 세포가 매시간 간격으로 소리에 노출되더라도 매번 인슐린을 완전히 방출할 수 없어 생명을 위협하는 저 혈당증을 유발할 수 있다.

"그러나 하루 세 끼를 먹는 당뇨병 환자의 일반적인 요구 사항을 충족할 수 있다"고 푸세네거는 말한다. 그는 사람이 4시간 이상 식사를 하지 않더라도 인슐린이 오랫동안 소포에 남아 있다고 설명한다. "고갈이나 의도하지 않은 방전이 발생하지 않는다."

하지만 임상적용은 아직 멀었다. 연구자들은 유전 네트워크가 음파와 같은 기계적 자극에 의해 제어될 수 있음을 보여주는 개념 증명을 제공했을 뿐이다. 이 원칙이 실용화될지는 제약회사가 이에 관심을 갖고 있는지 여부에 달려 있다. 결국 이는 광범위하게 적용될 수 있다. 이 시스템은 인슐린뿐만 아니라 치료 용도에 적합한 모든 단백질과 함께 작동한다.

출처: ETH 취리히