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자료제공 / 아나로그디바이스(Analog Devices) 

팬데믹을 계기로 건강에 대한 사람들의 관심이 크게 높아졌으며, 그에 따라 전기화학 바이오센서에 대한 개발과 혁신이 빨라지고 있다. 더 나은 바이오센서와 판독 장치를 이용할 수 있게 됨으로써 의료 분야 종사자들은 코로나 바이러스뿐 아니라 말라리아와 결핵에서부터 박테리아 감염에 이르기까지 다양한 질병들을 더 빠르고 정확하게 진단하고 치료할 수 있게 되었다.

전위가변기(potentiostats)가 가진 잠재력

전기화학 바이오센서 혁신 업체에서는 이러한 수요를 간과하지 않고 새로운 기회로 전환시켰다.  그런데 더 나은 테스트 솔루션을 내놓기 위해서는 전기화학에 대한 전문성 이외에도 측정 및 센싱에 대한 전문성도 필요하다. 전위가변기(potentiostats)는 세포의 저항에서 일어나는 변화를 검출하고 그에 따라 보조 전극을 통해서 전류를 조절하는 전기 회로이다. 이 디바이스는 대부분의 전기분해 실험에서 제어와 측정을 위해 필수적으로 사용되는 전자 하드웨어이다. 전기화학 바이오센서 분야 기업들이 바이러스나 박테리아의 전기화학적 특성을 이해하는 것은 어려운 일이 아니지만, 전위가변기 같은 제품이나 판독기를 개발하려면 다년 간의 연구와 시행착오가 필요할 수 있다.

아나로그디바이스(Analog Devices, 이하 ADI)와 팜센스(PalmSens)가 협력하여 개발한 엠스탯 피코(EmStat Pico) 전위가변기 모듈은 전위가변기에 대한 전문 지식이 없어도 전기화학 바이오센서 기술을 개발할 수 있게 해준다. 이로써 바이오센서 회사들은 전문가를 고용하기 위해서 혹은 자신들이 전문가가 되기 위해서 시간과 돈을 들일 필요가 없게 되었다. 이 독립형 전위가변기 모듈 개발을 위해 팜센스와 협력함으로써 ADI는 혁신 기업들이 부족한 부분을 메워서 생명을 구하는 제품을 보다 신속하게 출시할 수 있도록 돕고 있다.

한 눈에 보기

팜센스 회사 소개

2001년에 키스 반 벨젠(Kees van Velzen) 박사가 설립한 팜센스는 휴대성을 강조한, 대다수 전기화학 용도의 방대한 측정 장치 제품들을 제공한다. 팜센스는 전문 지식이 없는 사람이나 선행 연구원, 기업들도 전기화학을 좀더 손쉽게 접근하고 휴대가 용이하도록 만드는 것을 목표로 한다.

과제

팜센스의 전기화학 바이오센서 기술과 ADI의 첨단 신호 처리 전문성을 결합하여, 정확도를 떨어뜨리지 않고도 실험실 장비보다 더 빠르고 크기는 작으면서 전력소모는 더 적은 전위가변기를 개발하여, 전위가변기를 사용한 설계 경험이 전혀 없는 개발자들도 쉽게 구현할 수 있도록 한다.

애플리케이션

• 헬스케어

• 환경 모니터링

• 식품 안전

• 수의학

• 상태 모니터링

목표

바이오센서 기업들이 기술적으로 부족한 부분을 메우고 생명을 구하는 기술을 시장에 빠르게 내놓을 수 있도록 돕는 전기화학 바이오센서 플랫폼을 개발한다. 

가장 먼저 선보인 QSM의 Otter eQ

아나로그 가라지(Analog Garage)는 ADI의 자체 인큐베이터로서, 엔지니어, 데이터 과학자, 

하드웨어 및 소프트웨어 전문가들이 모여 민첩하게 움직이며 아이디어 지향적인 스타트업 분위기 속에서 

새로운 기술과 솔루션을 개발한다.

보스턴에 위치한 QSM 다이어그노틱스(QSM Diagnostics)는 박테리아 감염의 신속한 진단을 위해 POC(point-of-care) 수의학 진단 솔루션을 개발하는 회사이다. 이 회사는 이러한 용도의 센서와 의료 장비 개발 및 상용화에 있어서 수십 년의 전문성을 쌓아왔다.

2016년에 QSM은 전통적인 수의 실험실 장비와 동일한 결과를 치료 현장에서 즉각적으로 제공하면서도 보다 저렴하고 휴대가 용이한 전기화학 바이오센서 판독기를 개발하기 위한 아나로그 가라지와의 협력을 시작했다. 이후 ADI와 팜센스가 엠스탯 피코를 내놓자, QSM은 이와 비슷한 제품을 자체 설계하고자 할 때에 비해 제품 개발에 투입되는 자원을 크게 절약할 수 있게 해주는 이 새롭고 작은 전위가변기 모듈의 잠재력을 단박에 알아보았다.

“굳이 바퀴를 다시 발명할 필요가 있나?”

QSM의 에드 골루치(Ed Goluch) CEO

QSM의 에드 골루치(Ed Goluch) CEO는 “우리는 측정에 필요한 전자장치들에 대해서는 전혀 신경 쓸 필요 없이 오직 시험 화학에만 전념할 수 있었다. 굳이 바퀴를 다시 발명할 필요가 있나?”라고 말했다.

QSM의 Otter eQ는 ADI와 팜센스가 개발한 엠스탯 피코를 채택해서 가장 먼저 출시한 제품 중 하나로서, 전위가변기가 POC 애플리케이션용 바이오센서 판독기로 활용될 수 있는 범용성을 잘 보여준다. 이 제품은 현재는 개에게만 사용되고 있지만 향후에는 사람에게도 적용될 수 있을 것이다.

동물 병원에서 활용되는 바이오센서

개는 귀 감염이 잘 발생할 수 있다. 녹농균(pseudomonas aeruginosa)이라고 하는 박테리아로 인해 발생하는 귀 감염은 진단하기가 까다롭고 별도의 치료를 필요로 한다. 이 박테리아 원인균을 진단하기 위해서는 수의사가 시험실에 샘플 분석을 의뢰하고 결과를 기다려야 한다. 결과가 나오기 전까지는 불완전한 데이터를 가지고 반려견에 대한 최선의 치료를 할 수밖에 없다.

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주머니 안에 쏙 들어가는 전위가변기

QSM은 현장에서 진단 결과를 곧바로 제공하여 분석 결과를 다음날 오전 중에, 심지어는 해당 반려견과 견주가 동물 병원을 떠나기 전에 확인할 수 있는 전기화학 바이오센서 및 판독기 개발에 나섰다. 이 측정기는 폼팩터가 30mm x 6mm에 불과한 엠스탯 피코를 채택한 덕분에 빠르고 휴대성도 뛰어나다.

차세대 Otter eQ

2.4: 미국에서 반려견을 키우는 가정이 한 해에 동물 병원을 방문하는 횟수

- 2017년~2018년 AVMA 반려견 보유 및 인구통계 자료집

현재의 Otter eQ는 한 가지 박테리아만 진단할 수 있지만, 이 판독기는 여러 종류의 센서를 사용할 수 있으며 현재 그러한 개발이 진행 중이다. 그러면 각각의 센서마다 새로운 판독기를 개발할 필요가 없어진다. 머지않아 Otter eQ는 다양한 동물들에 대해서 다양한 감염을 테스트할 수 있게 될 것이다. 향후 버전들은 일종의 혈액 검사처럼 단일 카트리지로 여러 병원균을 검사할 수 있게 될 것이다.

또한 ADI의 이 최신 모듈은 QSM이 현재의 B2B 시장에서 향후 B2C 시장으로 영역을 확장할 수 있게 해준다. Otter eQ를 개인 소비자들도 사용할 수 있게 된다면 동물 병원의 진료 업무 부담도 덜 수 있을 것이다. 반려견 주인들이 동물 병원을 방문하는 횟수를 줄일 수 있을 것이고, 처방한 치료가 효과가 있는지를 굳이 병원을 방문하지 않고서도 확인할 수 있기 때문이다.

작동 원리

1. 감염된 개의 귀 속으로 면봉을 넣어서 샘플을 채취한다.

2. 일회용 센서 카트리지를 삽입하고, 샘플을 사전에 제조된 완충용액과 혼합한 다음, 카트리지로 떨어트린다.

3. 2분 후 결과를 판독할 수 있다. 센서 어레이를 사용해서 단일 카트리지로 여러 종류의 박테리아를 진단할 수 있다.

개, 고양이, 그리고 사람: QSM의 비전

팜센스의 반 벨젠 CEO는 “반려견용 POC 제품의 경우, 사람에 적용되는 테스트 제품에 비해서 당국의 관련 규제 조항들이 훨씬 적다. 우리는 이것으로부터 시작하여 사람을 위한 POC 애플리케이션으로 나아가기 위한 발판을 마련할 것이며, 여기에는 엄청난 기회가 기다리고 있다”고 말했다.

QSM 기술은 이미 농업 용수에서 제초제 성분을 식별하고, 식수 품질을 모니터링하고, 식품에서 대장균 같은 병원균을 검사하는 데에 사용되고 있다. 카트리지는 바이러스 입자를 식별하기 위해서, 또는 코티솔, 콜레스테롤, 가정에서의 약물 사용 같이 바이러스 감염과 무관한 여러 마커들을 모니터링하기 위해서와 같이, 용도에 따라서 조정할 수 있다.

QSM의 골루치 CEO는 “코로나 팬데믹을 통해 사람들은 이 분야에서 충분한 연구가 이루어지지 않았다는 것을 깨닫게 되었다. 예컨대 혈당측정기는 무려 70년 동안 사용되어 왔지만, 지금까지 우리는 이 기술을 바탕으로 다른 혁신이 이루어진 것을 본 적이 없다”며, “이제 우리는 이 새로운 모듈을 사용해서 여러 가지를 테스트할 수 있는 발판을 마련했다. QSM의 카트리지는 어떤 것이든 탐지할 수 있다. 화학 반응만 변경하면 플랫폼은 그에 따라서 작동한다”고 말했다.  

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생명을 구하는 제품의 보다 신속한 출시

엠스탯 피코 모듈을 QSM의 기존 카트리지 설계에 통합함으로써, QSM은 솔루션을 자체 개발하는 것에 비해 개발 기간을 3년 가까이 단축했다. 뿐만 아니라 팜센스가 소프트웨어 개발 키트를 제공하므로 작업을 더더욱 단축할 수 있었으며, 이를 통해 QSM은 팜센스로부터 기술 지원을 많이 받지 않고도 제품을 개발할 수 있었다.

ADI의 브라이언 코피(Brian Coffey)는 “팜센스와 손을 잡은 이유는 플러그앤플레이 측정 모듈로 완전한 솔루션을 제공할 수 있겠다고 판단했기 때문이다. 이 새로운 모듈을 사용해서 고객들이 생명을 구하는 의료 진단 제품을 보다 빨리 출시할 수 있게 됐다는 소식을 듣게 되어 무척 기쁘다”고 말했다.

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