미국에서는 3,700만 명이 넘는 사람들이 당뇨병을 앓고 있다. 미국 당뇨병 협회(American Diabetes Association)에 따르면 2022년에는 840만 명의 미국인이 혈당을 낮추기 위해 인슐린을 복용해야 했다. 그러나 인슐린은 위에서 쉽게 파괴되는 단백질이기 때문에 경구로 체내에 전달하기가 까다롭다.
연구자들은 위장에서 소화에 저항하는 알약과 혈당을 모니터링하고 자동으로 인슐린을 방출하는 피부 패치를 개발하고 있지만 현재 인슐린을 투여하는 가장 신뢰할 수 있는 방법은 자주 주사하는 것이다.
나는 인디애나 대학교 의과대학의 약리학 및 독성학 교수로 동료들과 함께 약물 전달 시스템을 연구하고 있다. 약물을 신체에 주입하는 혁신적인 새로운 방법을 연구하면 환자가 치료에 얼마나 잘 반응하고 순응하는지를 향상시킬 수 있다. 인슐린을 복용하는 더 쉬운 방법은 많은 당뇨병 환자, 특히 바늘을 좋아하지 않는 사람들의 귀에 음악처럼 들릴 것이다.
랜셋 당뇨병 및 내분비학(The Lancet Diabetes & Endocrinology)의 최근 연구에서 연구자들은 특정 음파, 즉 퀸 밴드의 음악에 반응하여 인슐린을 방출하도록 세포를 조작했다. 아직 갈 길이 멀지만, 이 새로운 시스템은 언젠가 인슐린 주사를 로큰롤 복용량으로 대체할 수도 있다.
당뇨병이란 무엇인가?
당뇨병은 신체가 충분한 인슐린을 생성하지 못하거나 인슐린에 반응하지 못할 때 발생하는 만성 질환이다. 인슐린은 신체가 음식을 소화할 때 혈액 내 당 농도가 상승하는 것에 반응하여 췌장이 만드는 호르몬이다. 이 중요한 호르몬은 혈액에서 당분을 근육과 조직으로 이동시켜 에너지로 사용되거나 저장된다.
인슐린이 없으면 혈당 수치가 높게 유지되어 잦은 배뇨, 갈증, 흐릿한 시력, 피로 등의 증상을 유발한다. 치료하지 않으면 이러한 고혈당증은 생명을 위협할 수 있으며, 장기 손상 및 당뇨병성 혼수상태를 유발할 수 있다. 미국 질병통제예방센터(CDC)에 따르면 당뇨병은 신부전, 하지 절단, 성인 실명의 원인 1위이며, 미국에서 8번째로 흔한 사망 원인이다.
당뇨병 치료는 간단하다. 신체에 인슐린이 부족하면 인슐린을 더 많이 투여하면 된다. 과학자들은 호르몬을 만드는 방법을 터득했지만 호르몬을 몸에 주입하는 유일한 효과적인 방법은 직접 주사이다. 당뇨병 환자는 일반적으로 어디를 가든지 인슐린 약병과 바늘을 휴대해야 한다. 많은 사람들이 바늘을 두려워한다는 점을 고려하면 이는 질병을 관리하는 이상적인 방법이 아닐 수도 있다.
이러한 과제로 인해 연구자들은 인슐린을 보다 쉽게 전달하는 새로운 방법을 모색하게 되었다.
세포 공학이란 무엇인가?
세포는 생명의 기본 단위이다. 당신의 몸은 특별한 기능을 수행하는 수백 가지의 다양한 유형의 세포로 구성되어 있다. 일부 당뇨병 환자의 경우 인슐린을 생성하는 췌장 베타 세포가 제대로 작동하지 않거나 사망했다. 이러한 결함이 있는 세포를 필요에 따라 인슐린을 생산할 수 있는 새로운 세포로 교체할 수 있는 방법이 있다면 어떨까?
이것이 바로 세포 공학이 들어오는 곳이다. 세포 공학에는 인슐린 생산과 같은 특정 기능을 수행하기 위해 세포를 유전적으로 변형하는 것이 포함된다. 인슐린을 세포에 만드는 유전자를 설치하는 것은 어렵지 않지만, 세포가 인슐린을 만드는 시기를 조절하는 것은 어려운 일이었다. 인슐린은 식사 후에 고혈당 수치에 대응해서만 만들어져야 하며, 다른 때는 만들어서는 안 된다.
과학자들은 이온 채널(칼슘이나 염화물과 같은 이온의 흐름을 조절하는 세포막에 내장된 단백질)을 원격 제어 장치처럼 사용하여 세포 활동을 활성화하는 아이디어를 탐구해 왔다. 막에 특정 유형의 이온 채널이 있는 세포는 빛, 전기, 자기장 또는 기계적 자극과 같은 특정 자극에 반응하여 활성화될 수 있다. 이러한 이온 채널은 세포와 유기체가 빛, 자기, 접촉 또는 소리에 반응하도록 돕는 감각 장치로 자연적으로 존재한다. 예를 들어, 내이의 유모세포에는 음파에 반응하는 기계감응성 이온 채널이 있다.
가수 퀸과 세포 공학의 결합
스위스 바젤 대학의 생명공학 교수인 마틴 푸세네거(Martin Fussenegger)는 특정 음파에 반응하여 세포에 신호를 보내 인슐린을 생성하도록 기계 감응성 이온 채널을 원격 제어 장치로 사용하는 최근 연구를 주도했다.
이러한 "MUSIC 제어, 인슐린 방출 세포"(MUSIC은 음악 유도 세포 제어의 약자)는 실험실의 확성기 옆에서 배양되었다. 그의 팀은 다양한 강도와 속도의 다양한 음악 장르를 테스트했다.
그들이 연주한 노래 중에는 마이클 잭슨의 "빌리 진", 퀸의 "위 윌 락유", 이글스의 "호텔 켈리포니아"와 같은 팝송이 있었다. 베토벤의 “엘리제를 위하여(Für Elise)”와 모차르트의 “알라 투르카(Alla Turca)”와 같은 고전 작품; 마블 영화 '어벤져스'에 등장한 사운드가든의 '라이브 투 라이즈(Live To Rise)'와 같은 영화 테마도 있다. 그들은 낮은 저음이 풍부한 팝 음악과 영화 사운드트랙이 클래식 음악에 비해 인슐린 방출을 더 잘 유발하고 세포가 노래에 노출된 지 몇 분 이내에 인슐린을 방출할 수 있다는 것을 발견했다.
특히, 그들은 퀸의 노래 "위 윌 락유"가 정상적인 췌장 베타 세포의 인슐린 방출 속도를 가장 충실하게 모방한다는 것을 발견했다.
그런 다음 팀은 MUSIC으로 제어되는 인슐린 방출 세포를 당뇨병 쥐에 이식했다. 하루에 한 번씩 15분 동안 퀸의 노래를 들으면 혈중 인슐린 양이 정상 수준으로 회복되었다. 혈당 수치도 정상으로 돌아왔다. 대조적으로, 노래에 노출되지 않은 쥐는 고혈당증을 유지했다.
음악이 사람들의 인슐린을 만들 수 있을까?
이러한 유망한 결과에도 불구하고, 인슐린 생산에 대한 음악적 접근 방식을 인간에게 적용하기 위해서는 훨씬 더 많은 연구가 필요하다.
한 가지 우려 사항은 인슐린을 너무 많이 만들어 건강 문제를 일으킬 수 있다는 것이다. 마틴 푸세네거의 연구에 따르면 비행기, 잔디 깎는 기계 또는 소방차에서 나는 라켓과 같은 배경 소음과 말소리는 쥐의 인슐린 생산 시스템을 유발하지 않는 것으로 나타났다. 또한 음악은 MUSIC으로 제어되는 인슐린 방출 세포가 이식된 복부 근처에서 연주되어야 했다.
이메일에서 푸세네거는 기술의 효능과 안전성을 보장하고 세포 임플란트가 얼마나 오래 지속될 수 있는지 결정하기 위해 광범위한 임상 시험을 수행해야 한다고 설명했다. 신체에 이물질이 유입되는 것과 마찬가지로 조직 거부반응도 문제가 된다.
언젠가는 세포 공학이 전 세계 수백만 명의 당뇨병 환자에게 인슐린을 자주 주사하는 대신 절실히 필요한 대안을 제공할 수 있을 것이다. 미래에는 다양한 세포 유형을 조작하여 체내에서 다른 약물을 보다 편리하게 방출할 수 있을 것이다.
