바늘 하나 없이 혈액 나트륨을 추적하는 새로운 기술

연구진은 혈중 나트륨 농도를 장기간 비침습적으로 모니터링하는 데 사용할 수 있는 광음향(OA) 테라헤르츠 분광 시스템을 개발했습니다. 이 시스템은 테라헤르츠 복사선을 강하게 흡수하는 물에 의한 신호 간섭을 성공적으로 줄이는 데 성공했습니다. 출처: Zhen Tian, ​​톈진 대학교

새로운 연구에서 연구진은 광음향 검출과 테라헤르츠 분광법을 결합한 시스템을 사용하여 혈중 나트륨 수치를 장기간 비침습적으로 모니터링하는 방법을 시연했습니다. 혈중 나트륨 수치를 정확하게 측정하는 것은 탈수, 신장 질환, 특정 신경 및 내분비 질환과 같은 질환을 진단하고 관리하는 데 필수적입니다.

전자기 스펙트럼의 마이크로파와 중적외선 영역 사이에 있는 테라헤르츠 복사는 낮은 에너지이고 조직에 무해하며, 근적외선과 가시광선보다 산란이 적고 구조적, 기능적 생물학적 변화에 민감하기 때문에 생물학적 응용 분야에 이상적입니다.

"생체 의학 분야에서 테라헤르츠 분광법은 여전히 ​​두 가지 핵심 과제에 직면해 있습니다. 복잡한 생물학적 시료에서 물이 아닌 분자를 검출하는 것과 두꺼운 조직층을 투과하여 체내에서 검출하는 것입니다."라고 중국 톈진대학교 연구팀장인 젠 티안은 말했습니다. "광음향 검출 기술을 추가함으로써 이러한 과제를 극복하고 테라헤르츠파를 이용한 최초의 생체 내 이온 검출을 시연할 수 있었습니다. 이는 테라헤르츠 기반 기술을 임상적으로 실용화하는 데 중요한 진전입니다."

Optica Publishing Group의 영향력 높은 연구 분야 대표 저널인 Optica 에 게재된 이번 논문 에서, 연구진은 새로운 다중 스펙트럼 테라헤르츠 광음향 시스템을 소개하고, 이 시스템이 어떠한 표지 없이도 살아있는 생쥐의 나트륨 농도를 비침습적으로 장기간 모니터링하는 데 사용될 수 있음을 보여주었습니다. 인간 자원봉사자를 대상으로 실시한 예비 시험 결과도 유망했습니다.

티안 박사는 "이 기술이 더욱 발전하면 채혈 없이도 환자의 나트륨 수치를 모니터링하는 데 사용될 수 있을 것"이라고 말했습니다. "실시간 나트륨 측정은 중증 환자의 불균형을 안전하게 교정하는 동시에 나트륨 수치가 급격히 변할 때 발생할 수 있는 위험한 신경학적 합병증을 예방하는 데 사용될 수 있습니다."

소리를 사용하여 소음을 줄이세요

이 새로운 연구는 테라헤르츠 광음향 기술을 이용하여 생의학 분야에서 테라헤르츠 기술을 발전시키고 구현하는 것을 목표로 하는 대규모 프로젝트의 일환입니다. 이 프로젝트의 핵심 목표 중 하나는 테라헤르츠 복사선을 강하게 흡수하는 물에 의한 신호 간섭을 줄이는 것입니다.

이러한 간섭을 극복하기 위해 연구진은 샘플에 테라헤르츠파를 조사하는 모듈식 시스템을 개발했습니다. 샘플이 이 파동을 흡수하면 혈액 내 물 분자에 연결된 나트륨 이온이 진동하여 초음파를 생성하고, 이 초음파는 초음파 변환기로 감지됩니다. 광음향 검출(optoacoustic detection)이라고 알려진 이 기술은 흡수된 테라헤르츠 에너지를 측정을 위한 음파로 변환합니다.

"테라헤르츠 광음향 기술은 생의학 응용 분야에서 역사적으로 제약이 되어 온 수분 흡수 장벽을 효과적으로 극복함으로써 획기적인 발전을 이룹니다."라고 티안은 말했습니다. "이 연구의 더 넓은 의미는 혈액 나트륨 검출을 훨씬 넘어섭니다. 이 기술은 당, 단백질, 효소를 포함한 다양한 생체 분자의 고유한 테라헤르츠 흡수 특성을 인식하여 식별할 수 있습니다."

바늘 없이 나트륨 추적

연구진은 새로운 시스템을 시험하기 위해 살아있는 생쥐의 피부 아래 혈관에서 30분 이상 밀리초 단위로 혈중 나트륨 농도 증가를 측정할 수 있음을 보여주었습니다. 이 측정은 물에서 발생하는 배경 광음향 신호를 약화시키기 위해 피부 표면을 8°C로 냉각한 상태에서 귀에서 수행되었습니다.

연구진은 또한 테라헤르츠 광음향 시스템이 인간 혈액 샘플에서 나트륨 농도의 높음과 낮음을 빠르게 구분할 수 있음을 입증했습니다. 마지막으로, 건강한 지원자의 손 혈관에서 나트륨 이온 농도를 비침습적으로 측정했습니다. 피부를 냉각시키지 않고 측정했음에도 불구하고, 나트륨에서 검출된 광음향 신호는 피부 표면 아래 혈류량에 비례하는 것으로 나타났습니다. 더 많은 연구가 필요하지만, 이러한 결과는 이 시스템이 비침습적 실시간 모니터링에 유용할 수 있음을 시사합니다.

연구진은 이 시스템을 인체에 적용하려면 구강 내와 같이 급속 냉각을 견딜 수 있고 최소한의 수중 배경 잡음으로 강력한 신호 감지가 가능한 인체의 적절한 감지 부위를 찾아야 한다고 밝혔습니다. 또한, 냉각 없이도 수중 간섭을 억제할 수 있는 대체 신호 처리 방법을 모색하고 있으며, 이를 통해 임상 진단에 더욱 실용적으로 활용할 수 있을 것으로 기대됩니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/07/250705084253.htm