KR20220020108A - 약물 전달 장치 및 약물 전달 장치의 동작 방법 - Google Patents

약물 전달 장치 및 약물 전달 장치의 동작 방법 Download PDF

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박기태
강준성
김상준
홍영준
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삼성전자주식회사
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Abstract

약물 전달 장치 및 약물 전달 장치의 동작 방법이 개시된다. 개시된 약물 전달 장치는 체내에 삽입되어 제어 신호에 따라 광을 출력하는 발광부, 발광부로부터의 광에 반응하여 약물을 방출하는 약물 담지체, 약물 담지체를 통과한 광을 감지하는 감광부 및 감광부에서 감지된 광량을 이용하여 약물 담지체가 광에 반응한 정도를 모니터링하는 제어부를 포함한다.

Description

약물 전달 장치 및 약물 전달 장치의 동작 방법{DRUG DELIVERY DEVICE AND METHOD FOR OPERATING THE SAME}
아래 실시예들은 약물 전달 장치 및 약물 전달 장치의 동작 방법에 관한 것이다.
인슐린이나 호르몬 제형과 같이 반복적인 주사 투약이 필요한 경우, 환자의 번거로움 및 높은 의료비용을 개선하기 위해 임플란트가 가능한 약물 전달 시스템 개발이 요구되어 왔다. 이와 같은 약물 방출 임플란트 시스템은 크게 서방성 약물 방출 시스템(controlled drug release system)과 자극 반응형 약물 방출 시스템(activation modulated drug delivery system)으로 나눌 수 있다. 서방성 약물 방출 시스템은 주로 물질 고유의 체내 분해 속도에 의존하여 약물이 천천히 체내로 방출되는 방식이며, 자극 반응형 약물 방출 시스템은 신체 내외의 자극에 의해 약물 담지체의 특성이 변형되면서 약물이 방출되는 방식이다.
일실시예에 따른 약물 전달 장치는 체내에 삽입되어 제어 신호에 따라 광을 출력(emit)하는 발광부; 상기 발광부로부터의 광에 반응하여 약물을 방출하는 약물 담지체(drug reservoir); 상기 약물 담지체를 통과한 광을 감지하는 감광부; 및 상기 감광부에서 감지된 광량을 이용하여 상기 약물 담지체가 광에 반응한 정도를 모니터링하는 제어부를 포함한다.
일실시예에 따른 약물 전달 장치에서 상기 제어부는 상기 발광부에서 출력된 광량 및 상기 감광부에서 감지된 광량에 기반하여 상기 약물 담지체의 흡광도(absorbance)를 결정하고, 상기 결정된 흡광도를 이용하여 상기 약물 담지체의 반응 정도를 판단할 수 있다.
일실시예에 따른 약물 전달 장치에서 상기 제어부는 상기 발광부의 반응 정도에 기반하여 상기 약물 담지체에서의 약물의 방출량을 결정할 수 있다.
일실시예에 따른 약물 전달 장치에서 상기 제어부는 상기 약물 담지체의 시간에 따른 흡광도 변화에 기초하여, 상기 약물 담지체의 상태 변화를 판단할 수 있다.
일실시예에 따른 약물 전달 장치에서 상기 제어부는 상기 약물 담지체의 반응 정도에 기반하여 상기 발광부에서 출력되는 광의 광량 및/또는 노출시간을 조절함으로써, 상기 약물 담지체에서의 약물의 방출량을 제어할 수 있다.
일실시예에 따른 약물 전달 장치에서 상기 제어부는 상기 약물 담지체의 반응 정도에 기초하여 상기 약물 담지체의 교체 여부를 결정할 수 있다.
일실시예에 따른 약물 전달 장치에서 상기 제어부는 상기 제어 신호를 이용하여 상기 발광부에서 출력되는 광의 광량, 노출시간 및 파장 중 적어도 하나를 제어할 수 있다.
일실시예에 따른 약물 전달 장치에서 상기 약물 담지체는 상기 약물 담지체에 대응하는 활성 파장의 광이 상기 발광부로부터 수신되는 경우에 응답하여 상기 약물을 방출할 수 있다.
일실시예에 따른 약물 전달 장치에서 상기 약물 담지체에 서로 다른 활성 파장의 복수의 약물들이 포함된 경우, 상기 약물 담지체는 상기 복수의 약물들 중에서 상기 발광부로부터 수신된 광의 파장에 대응하는 약물을 방출할 수 있다.
일실시예에 따른 약물 전달 장치에서 상기 발광부는 상기 약물 담지체로 광이 균질하게 전달되게 배치된 하나 이상의 광원들을 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 약물 전달 장치에서 상기 약물 담지체는 상기 약물이 감광성(photosensitive)의 링커(linker)로 결합(conjugate)된 물질; 광에 의해 세포 내 생리(physiology)가 변하여 상기 약물을 분비하는 광유전학적으로 설계된 세포(optogenetically engineered cell); 광에 의해 열을 발생시키거나 팽창하는 물질을 이용하여 상기 약물을 방출하는 포토-써모-메커니즘 물질(Photo-thermo-mechanical material); 및 광에 의해 자기적 성질이 변하여 상기 약물을 분비하는 포토볼테익 물질(Photovoltaic material) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 약물 전달 장치에서 상기 약물 담지체는 상기 약물 전달 장치가 체내에 삽입됨에 따라 발생 가능한 면역 반응 물질을 차단하고, 상기 약물 담지체의 유지를 위한 필요 물질 및 상기 약물을 선택적으로 통과시키는 선택적 투과막(selective membrane)에 수용될 수 있다.
일실시예에 따른 약물 전달 장치에서 상기 제어부는 상기 약물 전달 장치 외부의 전자 장치로 상기 약물 담지체의 반응 정도, 상기 약물의 방출량, 상기 약물 담지체의 교체 필요여부 중 적어도 하나에 대한 정보를 전송할 수 있다.
일실시예에 따른 약물 전달 장치는 대상 분자(target molecule)을 감지하는 전기화학 센서를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 전기화학 센서에서 상기 대상 분자를 감지한 결과에 기초하여 상기 발광부에서 출력되는 광의 광량 및/또는 노출시간을 조절함으로써, 상기 약물의 방출량을 제어할 수 있다.
일실시예에 따른 약물 전달 장치에서 상기 제어부는 상기 감지된 대상 분자의 농도에 기초하여 체내 대사 상태를 판단하고, 상기 판단된 체내 대사 상태에 따라 상기 약물 담지체로 광 자극을 인가할지 여부를 결정할 수 있다.
일실시예에 따른 약물 전달 장치에서 상기 전기화학 센서는 체내의 혈당 레벨을 감지하고, 상기 제어부는 상기 감지된 혈당 레벨이 임계 레벨을 초과하는 경우에 응답하여 상기 약물 담지체의 인슐린 분비를 촉진하는 광 자극을 상기 약물 담지체에 인가하게끔 상기 발광부를 제어할 수 있다.
일실시예에 따른 약물 전달 장치에서 상기 제어부는 상기 약물 전달 장치 외부의 전자 장치로부터 수신된 신호 및/또는 미리 저장된 정보에 기초하여, 상기 발광부에서 출력되는 광을 제어할 수 있다.
일실시예에 따른 약물 전달 장치에서 상기 약물 담지체는 상기 약물 전달 장치 외부로부터 추가 약물을 주입 받을 수 있는 교체 포탈을 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 약물 전달 장치는 상기 발광부에 접촉되어 상기 발광부에서 광이 출력됨에 따라 발생하는 열을 상기 약물 전달 장치 외부로 배출하는 히트 싱크 패스웨이(heat sink pathway)를 더 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 약물 전달 방법은 광에 반응하여 약물을 방출하는 약물 담지체로 광을 출력하는 발광부를 제어하는 단계; 및 상기 약물 담지체를 통과하여 감광부에서 감지된 광량을 이용하여, 상기 약물 담지체가 광에 반응한 정도를 모니터링하는 단계를 포함하고, 상기 발광부는 체내에 삽입된다.
도 1은 일실시예에 따른 약물 전달 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 일실시예에 따른 약물 담지체를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 일실시예에 따른 흡광도에 기반하여 약물 담지체를 모니터링하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 일실시예에 따른 복수의 파장들을 이용한 약물 방출을 설명하기 위한 도면이다.
도 5 및 도 6은 일실시예에 따른 약물 전달 장치 및 전자 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 일실시예에 따른 히트 싱크 패스웨이를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 다른 일실시예에 따른 약물 전달 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 일실시예에 따른 약물 전달 장치의 동작 방법을 나타낸 도면이다.
실시예들에 대한 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 예시를 위한 목적으로 개시된 것으로서, 다양한 형태로 변경되어 실시될 수 있다. 따라서, 실시예들은 특정한 개시형태로 한정되는 것이 아니며, 본 명세서의 범위는 기술적 사상에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이런 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 해석되어야 한다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설명된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 아래의 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 실시예의 범위가 본문에 설명된 내용에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 관련 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 또한, 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타내며, 공지된 기능 및 구조는 생략하도록 한다.
도 1은 일실시예에 따른 약물 전달 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 일실시예에 따른 약물 전달 장치(100)는 발광부(110), 약물 담지체(120), 감광부(130) 및 제어부(140)를 포함한다. 약물 전달 장치(100)는 광 자극에 기반하여 약물 방출을 제어하는 체내 삽입형 디바이스로서, 체내에 임플란트(implant)되어 지속적 또는 반복적으로 약물을 방출할 수 있다.
발광부(110)는 제어부(140)로부터의 제어 신호에 기초하여 광을 출력한다. 발광부(110)에서 출력된 광은 약물 담지체(120)에 광 자극으로 작용할 수 있다. 광 자극은 물리, 화학, 전기 등을 이용한 다른 자극과 달리 체내 다른 세포에 대한 자극으로 작용하지 않아 체내에서 의도되지 않은 반응을 최소화 시킬 수 있고, 광의 파장, 세기, 범위 조절이 자유로워 광단백질 발현 세포 종류에 따라 다양한 분야에 적용 가능하다. 또한, 발광부(110)가 체내에 임플란트 됨으로써, 다양한 파장이 제한 없이 활용될 수 있다. 예를 들어, 발광부(110)는 UV(ultraviolet)부터 IR(infrared)까지 다양한 파장을 활용할 수 있으나, 이로 한정하는 것은 아니고 약물 담지체(120)에 광 자극을 줄 수 있는 파장이라면 제한 없이 활용될 수 있다.
발광부(110)는 약물 담지체(120)의 반응을 유도하는 하나 이상의 파장에서 광을 출력할 수 있다. 달리 표현하면, 발광부(110)는 약물 담지체(120)에 활성도를 가지는 특정 활성 파장의 광을 출력할 수 있다. 발광부(110)는 제어부(140)의 제어 신호에 따른 광량 및/또는 노출시간으로 광을 출력할 수 있다.
약물 담지체(120)는 발광부(110)로부터의 광에 반응하여 약물을 방출한다. 약물 담지체(120)는 발광부(110)로부터 전달된 광 에너지를 흡수하여 약물을 체내로 방출하는 물질로서, 미리 정해진 활성 파장의 광 자극에 반응할 수 있다. 예를 들어, 약물 담지체(120)는 약물이 감광성의 링커로 결합된 물질(예컨대, photo-responsive polymers 등), 광에 의해 세포 내 생리가 변하여 약물을 분비하는 광유전학적으로 설계된 세포, 광에 의해 열을 발생시키거나 팽창하는 물질을 이용하여 약물을 방출하는 포토-써모-메커니즘 물질 및 광에 의해 자기적 성질이 변하여 약물을 분비하는 포토볼테익 물질을 포함할 수 있다. 약물 담지체(120)는 외부와의 물질 교환이 용이하도록 표면적이 넓은 구조를 가질 수 있다. 추후 상세히 설명되겠으나, 약물은 선택적 투과막을 통과하여 체내로 방출될 수 있다. 본 명세서에서 약물 담지체(120)는 치료 매트릭스(therapeutic matrix), 치료물질(therapeutic material), 치료제(therapeutic agent)로도 지칭될 수 있다.
약물은 질병의 진단, 치료, 완화, 처치, 예방, 또는 인체의 생리기능에 영향을 주는 약리학적 활성을 가지는 물질을 나타낼 수 있다. 본 명세서에서 약물은 주로 인체의 생리 기능에 영향을 주는 약리학적 활성을 가지는 물질로서 인슐린을 주로 설명한다. 인슐린은 당뇨병을 치료, 완화, 처치 또는 예방하기 위해 지속적 또는 반복적으로 투여되어야 하는 물질일 수 있다. 다만, 약물을 인슐린으로 한정하는 것은 아니고, 다른 약물에도 본 명세서의 설명이 적용될 수 있다.
감광부(130)는 약물 담지체(120)를 통과한 광을 감지할 수 있다. 발광부(110)에서 출력된 광량 중 약물 담지체(120)에서 약물을 방출하는 데 이용된 일부를 제외한 나머지가 감광부(130)에서 감지될 수 있다. 감광부(130)는 약물 담지체(120)를 통과한 광량을 감지하여 제어부(140)로 전달할 수 있다.
제어부(140)는 감광부(130)에서 감지된 광량을 이용하여, 약물 담지체(120)가 광에 반응한 정도를 모니터링한다. 이를테면, 제어부(140)는 발광부(110)에서 출력된 광량 및 감광부(130)에서 감지된 광량에 기반하여 약물 담지체(120)의 흡광도를 결정하고, 결정된 흡광도로부터 약물 담지체(120)의 반응 정도를 판단할 수 있다. 광 자극에 대한 약물 담지체(120)의 반응에 의해 약물이 방출되므로, 제어부(140)는 약물 담지체(120)의 반응 정보에 기반하여 약물 담지체(120)에서의 약물의 방출량을 결정할 수 있다.
제어부(140)는 제어 신호를 통해 발광부(110)에서 출력되는 광의 광량, 노출시간 및 파장 중 적어도 하나를 제어할 수 있으며, 이를 통해 약물 담지체(120)에서의 약물 방출량을 조절할 수 있다. 만약 약물 방출량이 기준치보다 적다면, 제어부(140)는 발광부(110)에서 출력되는 광량 및/또는 노출시간을 증가시킬 수 있다. 반대로 약물 방출량이 기준치보다 많다면, 제어부(140)는 발광부(110)에서 출력되는 광량 및/또는 노출시간을 감소시킬 수 있다.
도 2는 일실시예에 따른 약물 담지체를 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 일실시예에 따른 약물 담지체(220)에서 광 반응이 발생하는 과정을 설명하기 위한 예시가 도시된다.
발광부(210)는 약물 담지체(220)로 광이 균질하게 전달되게 배치된 광원들(211)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 발광부(210)는 1차원 또는 2차원으로 배열된 광원들(211)(예컨대, LEDs(Light-Emitting Diodes) 등)을 포함하며, 1차원으로 배열된 광원들은 등 간격의 라인 형태를 가지고, 2차원으로 배열된 광원들은 등 간격의 격자 형태(예컨대, 삼각 격자, 사각 격자 등)를 가질 수 있다.
발광부(210)에 포함된 보호층(213)은 광원들(211)을 보호하기 위한 투명한 물질일 수 있다. 보호층(213)은 약물 담지체(220)와의 직접적인 접촉이 요구되지 않아 생체에 적합(biocompatible)할 수 있다.
발광부(210)는 전기 에너지를 광 에너지로 변환하여 약물 담지체(220)로 제공할 수 있다. 약물 담지체(220)는 발광부(210)로부터의 광 에너지를 일부 흡수하여 약물을 방출할 수 있으며, 약물 담지체(220)를 통과한 나머지는 감광부(230)로 전달되어 감지될 수 있다.
광 반응에 응답하여 약물을 방출하는 약물 담지체(220)는 선택적 투과막(240)에 의해 둘러싸여질 수 있다. 선택적 투과막(240)은 약물 담지체(220)가 체내에 삽입되었을 때 발생 가능한 다양한 면역 반응 물질을 차단하여 면역 반응 물질에 의한 약물 담지체(220)의 손상, 파괴를 방지할 수 있다. 또한, 선택적 투과막(240)은 약물 담지체(220)의 생존, 유지를 위한 필요 물질(예컨대, 영양소(nutrients), O2, 체액(body fluid) 등)이 약물 담지체(220)로 공급되도록 통과시킬 수 있다. 또한, 선택적 투과막(240)은 약물 담지체(220)의 광 반응으로 방출되는 약물이 체내로 전달되도록 통과시킬 수 있다. 오랜 기간 동안 반복적으로 약물을 방출하는 경우 약물 담지체(220)가 부식(erosion) 또는 스웰링(swelling)되거나, 광유전학적으로 설계된 세포의 경우 스스로 이동하여 지정된 위치에서 벗어나는 경우가 발생할 수 있는데, 선택적 투과막(240)은 이를 방지하여 장기간 일정한 약물 방출량을 유지하는데 중요한 역할을 할 수 있다. 그리고, 선택적 투과막(240)은 약물 담지체(220)의 구조 변형을 억제하여 장기적인 흡광도 변화의 모니터링을 가능하게 할 수 있다. 또한, 선택적 투과막(240)은 독성 물질 또는 악성 세포(malignant cell)의 전좌(translocation)를 억제할 수 있다. 이처럼, 선택적 투과막(240)은 분자량이 일정 수준으로 작은 물질만 선택적으로 통과시키는 나노 다공성 멤브레인(nano-porous membrane)일 수 있다.
감광부(230)는 약물 담지체(220)를 통과한 광량을 감지할 수 있다. 약물 담지체(220)가 광 에너지를 흡수하여 반응하면 감광부(230)에서 감지되는 광량이 발광부(210)에서 출력된 광량보다 작아지게 되는데, 이를 이용하면 약물 담지체(220)의 반응 정도를 모니터링할 수 있다. 약물 담지체(220)에서의 광 반응은 아래의 수학식으로 표현될 수 있다.
Figure pat00001
위의 수학식 1에서, A는 흡광도를 나타내고, P 0 는 발광부(210)에서 출력되어 약물 담지체(220)로 전달된 광량을 나타내며, P는 약물 담지체(220)를 투과하여 감광부(230)에서 감지되는 광량을 나타낸다. 또한,
Figure pat00002
은 약물 담지체(220)가 1 mol당 어느 정도의 빛을 흡수하는가를 나타내는 물질 특유의 값인 몰 흡광계수(molar absorptivity)를 나타내고, c는 약물 담지체(220)의 농도를 나타내며, l는 광이 약물 담지체(220)를 통과하는 광 경로 길이(optical path length)를 나타낸다.
발광부(210)에서는 제어 신호에 따른 광이 출력되므로 P 0 을 알 수 있으며, P는 감광부(230)에서 감지될 수 있다. 또한,
Figure pat00003
및 l은 약물 담지체(220)에 따라 미리 정해진 값에 해당한다. 따라서, 수학식 1을 통해 약물 담지체(220)의 농도가 구해질 수 있다. 약물 담지체(220)에서 약물이 방출될수록 약물 담지체(220)의 농도가 낮아지는 특성을 이용하면, 시간에 따른 흡광도 변화로부터 얻어진 농도 변화에 기초하여 약물 담지체(220)의 상태 변화가 판단될 수 있다. 또한, P 0 와 P 간 차이만큼이 약물 담지체(220)의 광 반응에 의한 약물 방출에 이용된 것이므로, P 0 와 P 간 차이를 이용하여, 약물 담지체(220)의 반응 정도가 판단될 수 있다. 나아가, 약물 담지체(220)의 반응 정도에 기반하여 약물 방출량도 결정될 수 있다.
약물 담지체(220)의 반응 정도에 기초하여 발광부(210)에서 출력되는 광의 광량 및/또는 노출시간을 조절하면, 약물 담지체(220)에서의 약물 방출량을 일정하게 유지시킬 수 있다. 이를 통해, 비교적 장시간 약물 방출량을 일정하게 유지시킬 수 있는 폐루프(closed-loop) 형태의 약물 전달 장치가 제공될 수 있다.
만약 약물 담지체(220)에 포함된 약물이 모두 방출되어 더 이상 광 반응이 발생하지 않는다면, 감광부(230)에 비교적 큰 광량이 수신되고, 제어부는 이로부터 약물 담지체(220)의 교체가 필요하다는 것을 판단할 수 있다.
보다 정확한 약물 담지체(220)의 광 반응을 모니터링하기 위해, 약물 담지체(220)가 최초 체내에 삽입된 직후 앞선 수학식 1에 기반한 약물 담지체(220)의 반응성 변화를 분석하는 캘리브레이션(calibration)이 수행될 수 있다.
구조적으로, 발광부(210), 약물 담지체(220) 및 감광부(230)는 빛의 직진성을 고려하여 일직선 상에 배치되어, 발광부(210)에서 출력된 광이 약물 담지체(220)를 통과하여 감광부(230)에 도달하게 할 수 있다.
도 3은 일실시예에 따른 흡광도에 기반하여 약물 담지체를 모니터링하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 일실시예에 따른 흡광도 변화가 예시적으로 도시된다. 앞서 설명한 바와 같이, 흡광도는 발광부에서 출력되어 약물 담지체로 전달된 광량 P 0 과 약물 담지체를 투과하여 감광부에서 감지되는 광량 P에 기초하여 결정될 수 있다. 약물 담지체에 제공된 광량 중에서 일부 광 반응에 사용되고 남은 광량이 감광부에서 감지되므로, 약물 담지체의 약물 방출량은 흡광도의 값에 기초하여 결정될 수 있다. 또한, 약물 담지체의 약물 방출량은 광 자극에 대한 약물 담지체의 반응 정도에 대응할 수 있다.
또한, 장시간 약물 방출로 인해 약물 담지체에 남은 약물이 적다면, 약물 담지체의 광 반응이 약해질 수 있다. 광 반응이 약해질수록, 약물 담지체를 투과하여 감광부에서 감지되는 광량 P이 발광부에서 출력되어 약물 담지체로 전달된 광량 P 0 에 가까워질 수 있다. 다시 말해, 흡광도가 점차 작아질 수 있으며, 이러한 흡광도 변화에 기반하여 약물 담지체의 상태 변화(예컨대, 약물 담지체의 농도가 낮아짐 등)가 판단될 수 있다.
도 4는 일실시예에 따른 복수의 파장들을 이용한 약물 방출을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 일실시예에 따른 제1 파장
Figure pat00004
및 제2 파장
Figure pat00005
에 기반하여 복수의 약물들이 선택적으로 방출되는 예시가 도시된다. 실시예에 따라, 약물 담지체에는 복수의 약물들이 포함될 수 있으며, 예를 들어, 인슐린(insulin)과 글루카곤(glucagon)이 포함될 수 있다. 글루카곤은 인슐린과 반대 작용을 하는 물질일 수 있다. 약물 담지체에 제1 파장
Figure pat00006
의 광이 입사되면, 약물 담지체는 제1 파장
Figure pat00007
의 광에 반응하여 인슐린을 체내로 방출할 수 있다. 약물 담지체에 제2 파장
Figure pat00008
의 광이 입사되면, 약물 담지체는 제2 파장
Figure pat00009
의 광에 반응하여 글루카곤을 체내로 방출할 수 있다. 이처럼, 발광부에서 출력되는 광의 파장을 제어함으로써, 복수의 약물들 중에서 필요로 되는 약물을 선택적으로 제공할 수 있다. 도 4에서는 설명의 편의를 위해 2개의 파장을 활용한 예시가 도시되어 있으나, 이외에도 다양한 개수의 파장이 활용되는 실시예도 제한 없이 적용될 수 있다.
도 5 및 도 6은 일실시예에 따른 약물 전달 장치 및 전자 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 일실시예에 따른 약물 전달 장치(500)는 발광부(510), 약물 담지체(520), 감광부(530), 제어부(540), 전력 관리부(550) 및 통신부(560)를 포함할 수 있다. 발광부(510), 약물 담지체(520), 감광부(530), 제어부(540)에 대해서는 앞선 설명이 마찬가지로 적용될 수 있으므로, 보다 상세한 설명은 생략한다.
전력 관리부(550)는 약물 전달 장치(500)에 전력을 제공하며, 배터리를 포함할 수 있다. 또한, 체외의 전자 장치(570)로부터 무선으로 전달되는 전력을 수신하여 약물 전달 장치(500)에 제공하거나 배터리를 충전할 수 있다.
통신부(560)는 체외의 전자 장치(570)와 무선 통신을 수행할 수 있다. 예를 들어, 통신부(560)는 약물 담지체(520)의 반응 정도, 약물 방출량, 약물 담지체(520)의 교체 필요여부, 잔여 배터리량, 예정된 광 자극 스케줄 중 적어도 하나에 대한 정보를 전자 장치(570)로 전송할 수 있다. 통신부(560)는 BLE(Bluetooth Low Energy), MICS(Medical Implant Communication Service) 또는 NFC(Near Field Communication) 등 다양한 무선 통신 기법에 기반하여 전자 장치(570)와 통신을 수행할 수 있다.
전자 장치(570)는 약물 전달 장치(500)가 이식된 사용자 및/또는 해당 사용자를 진단, 치료하는 의료인에 의해 제어되는 장치로서, 예를 들어, 스마트폰, 태블릿, 랩탑, 퍼스널 컴퓨터 등 다양한 컴퓨팅 장치, 스마트 시계, 스마트 안경 등 다양한 웨어러블 기기, 스마트 스피커, 스마트 TV, 스마트 냉장고 등 다양한 가전장치, 스마트 자동차, 스마트 키오스크, IoT(Internet of Things) 기기 등을 포함할 수 있다.
일실시예에서, 약물 전달 장치(500)는 당뇨병을 가진 환자에 이식된 광 자극 기반 인공 췌장 기기일 수 있다. 약물 담지체(520)는 광유전학적으로 설계된 췌장 베타-세포(β-cell)를 포함할 수 있으며, 발광부(510)에서 제공된 활성 파장의 광에 기초하여 인슐린을 분비할 수 있다. 이러한 약물 전달 장치(500)는 전기 자극 시스템에 비해 기기 구조가 단순하고, 정확하게 원하는 시간만큼의 정량적인 자극을 제공할 수 있으며, 베타-세포의 반응도를 실시간으로 모니터링할 수 있다.
도 6을 참조하면, 일실시예에 따른 광 자극을 제어하는 예시들이 도시된다.
일례로, 약물 전달 장치(600)는 메모리(650)를 더 포함할 수 있다. 메모리(650)에 저장된 설정 정보에 기반하여 발광부(610)에서 출력되는 광 자극이 제어될 수 있다. 이를테면, 메모리(650)는 광 자극을 출력할 주기, 광량, 노출시간 등에 관한 정보를 저장할 수 있으며, 발광부(610)는 메모리(650)에 저장된 설정에 따라 광 자극을 출력할 수 있다.
또한, 약물 전달 장치(600)는 센서(660)를 더 포함할 수 있으며, 센서(660)는 대상 분자를 감지하는 전기화학 센서일 수 있다. 예를 들어, 전기화학 센서는 일종의 트랜스듀서(transducer)로서, 대상 분자(예컨대, 혈당)와 화학적으로 반응하여 전기를 생성하는 물질(예컨대, 효소) 및 해당 물질이 도포되거나 해당 물질에 접촉 또는 연결되는 전극을 포함할 수 있다. 다만, 전기화학 센서를 이로 한정하는 것은 아니다.
제어부(640)는 전기화학 센서를 통해 체내에서 대상 분자의 농도를 전기 화학적으로 모니터링할 수 있다. 제어부(640)는 센서(660)에서 대상 분자를 감지한 결과에 기초하여 발광부(610)에서 출력되는 광의 광량 및/또는 노출시간을 조절할 수 있다. 제어부(640)는 감지된 대상 분자의 농도에 기초하여 체내 대사 상태를 판단하고, 판단된 체내 대사 상태에 따라 약물 담지체(620)로 광 자극을 인가할지 여부를 결정할 수 있다. 체내 대사 상태는 고혈당 상태, 정상 상태, 및 저혈당 상태 등으로 분류될 수 있다. 예를 들어, 센서(660)는 체내의 혈당 레벨을 감지하고, 제어부(640)는 감지된 혈당 레벨이 임계 레벨을 초과하는 경우에 응답하여 약물 담지체(620)의 인슐린 분비를 촉진하는 광 자극을 약물 담지체(620)에 인가하게끔 발광부(610)를 제어할 수 있다.
또한, 약물 전달 장치(600)는 통신부(670)를 통해 체외의 전자 장치(690)로부터 수신된 신호에 따른 광 자극을 약물 담지체(620)에 인가할 수 있다. 전자 장치(690)를 통해 사용자 및/또는 의료인의 입력이 통신부(670)에 수신되어 대응하는 광 자극이 약물 담지체(620)에 인가될 수 있다.
또한, 약물 전달 장치(600)는 주기적인 약물 교체를 위해 교체 포탈(680)을 포함할 수 있다. 장시간 약물 방출로 인해 약물 담지체(620)에서 광 반응이 약해지거나 더 이상 발생하지 않는 경우에 약물 전달 장치(600) 전체를 교체하는 수술 없이, 교체 포탈(680)을 통해 약물 담지체(620)로 새로운 약물이 주입될 수 있다. 이로써, 체내에 삽입된 약물 전달 장치(600)의 사용 기간을 늘려서 수술을 최소화 시킬 수 있다.
도 7은 일실시예에 따른 히트 싱크 패스웨이를 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 일실시예에 따른 발광부(710)는 히트 싱크 패스웨이(720)에 접촉되어 발광부(710)에서 광이 출력됨에 따라 발생하는 열을 선택적 투과막(730) 근처로 전달함으로써, 약물 전달 장치 외부로 배출시킬 수 있다. 이를 통해, 약물 담지체(740)가 발광부(710)에서 발생한 열에 의해 오동작하거나 성능이 열화되는 것이 방지될 수 있다. 예를 들어, 히트 싱크 패스웨이(720)는 열 전도성이 높은 금속을 포함하고, 열이 효율적으로 전달되는 구조로 구성될 수 있다.
도 8은 다른 일실시예에 따른 약물 전달 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, 일실시예에 따른 발광부(823)가 외부 장치(820)에 포함될 수 있다. 앞서 설명한 전력 관리부, 센서, 메모리 등은 설명의 편의를 위해 도 8에서 생략될 수 있다.
외부 장치(820)는 약물 전달 장치(810)와 쌍을 이루어 약물 전달 장치(810)에 인접하게 위치할 수 있다. 약물 전달 장치(810)와 외부 장치(820) 각각에 포함된 통신부들(813, 821)은 무선 통신을 통해 필요한 정보들을 주고 받을 수 있으며, 제어부(811)에서 광 자극이 요청되면 해당 무선 통신을 통해 발광부(823)로 광 자극에 대한 제어 신호를 전달할 수 있다. 발광부(823)에서 제어 신호에 따라 출력된 광은 인체 조직을 투과하여 약물 담지체(815)로 전달될 수 있다. 약물 담지체(815)에서의 광 반응과 감광부(817)에서 투과된 광을 감지하는 등 동작들을 앞선 설명들이 그대로 적용될 수 있으므로 보다 상세한 설명은 생략한다.
도 9는 일실시예에 따른 약물 전달 장치의 동작 방법을 나타낸 도면이다.
도 9를 참조하면, 일실시예에 따른 약물 전달 장치에 구비된 프로세서에서 수행되는 동작 방법이 도시된다.
단계(910)에서, 약물 전달 장치는 광에 반응하여 약물을 방출하는 약물 담지체로 광을 출력하는 발광부를 제어한다. 단계(920)에서, 약물 전달 장치는 약물 담지체를 통과하여 감광부에서 감지된 광량을 이용하여, 약물 담지체가 광에 반응한 정도를 모니터링한다. 이때, 발광부는 체내에 삽입된다.
일실시예에 따른 약물 전달 장치는 광 기반 자극과 모니터링을 동시에 수행 가능한 폐루프 형태의 광 자극 약물 방출 임플란트 시스템으로, 다른 자극을 활용한 약물 방출 임플란트 시스템에 비해 부작용이 적고, 약물 방출량을 높은 정확도로 실시간 모니터링이 가능하기에 다양한 치료용 디바이스에 적용할 수 있다. 또한, 약물 전달 장치는 필요에 따라 반복적으로 투약이 필요한 병증 치료에 활용될 수 있으며, 예를 들어, 당뇨병 치료를 위한 체내 삽입형 의료기기, 호르몬 치료 장치, 비만 치료 장치 등에 적용될 수 있다.
도 9에 도시된 각 단계들에는 도 1 내지 도 8을 통하여 전술한 사항들이 그대로 적용되므로, 보다 상세한 설명은 생략한다.
이상에서 설명된 실시예들은 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치, 방법 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(field programmable gate array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

Claims (20)

  1. 체내에 삽입되어 제어 신호에 따라 광을 출력(emit)하는 발광부;
    상기 발광부로부터의 광에 반응하여 약물을 방출하는 약물 담지체(drug reservoir);
    상기 약물 담지체를 통과한 광을 감지하는 감광부; 및
    상기 감광부에서 감지된 광량을 이용하여 상기 약물 담지체가 광에 반응한 정도를 모니터링하는 제어부
    를 포함하는
    약물 전달 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 발광부에서 출력된 광량 및 상기 감광부에서 감지된 광량에 기반하여 상기 약물 담지체의 흡광도(absorbance)를 결정하고, 상기 결정된 흡광도를 이용하여 상기 약물 담지체의 반응 정도를 판단하는,
    약물 전달 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 발광부의 반응 정도에 기반하여 상기 약물 담지체에서의 약물의 방출량을 결정하는,
    약물 전달 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 약물 담지체의 시간에 따른 흡광도 변화에 기초하여, 상기 약물 담지체의 상태 변화를 판단하는,
    약물 전달 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 약물 담지체의 반응 정도에 기반하여 상기 발광부에서 출력되는 광의 광량 및/또는 노출시간을 조절함으로써, 상기 약물 담지체에서의 약물의 방출량을 제어하는,
    약물 전달 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 약물 담지체의 반응 정도에 기초하여 상기 약물 담지체의 교체 여부를 결정하는,
    약물 전달 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제어 신호를 이용하여 상기 발광부에서 출력되는 광의 광량, 노출시간 및 파장 중 적어도 하나를 제어하는,
    약물 전달 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 약물 담지체는
    상기 약물 담지체에 대응하는 활성 파장의 광이 상기 발광부로부터 수신되는 경우에 응답하여 상기 약물을 방출하는,
    약물 전달 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 약물 담지체에 서로 다른 활성 파장의 복수의 약물들이 포함된 경우, 상기 약물 담지체는 상기 복수의 약물들 중에서 상기 발광부로부터 수신된 광의 파장에 대응하는 약물을 방출하는,
    약물 전달 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 발광부는
    상기 약물 담지체로 광이 균질하게 전달되게 배치된 하나 이상의 광원들을 포함하는,
    약물 전달 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 약물 담지체는
    상기 약물이 감광성(photosensitive)의 링커(linker)로 결합(conjugate)된 물질;
    광에 의해 세포 내 생리(physiology)가 변하여 상기 약물을 분비하는 광유전학적으로 설계된 세포(optogenetically engineered cell);
    광에 의해 열을 발생시키거나 팽창하는 물질을 이용하여 상기 약물을 방출하는 포토-써모-메커니즘 물질(Photo-thermo-mechanical material); 및
    광에 의해 자기적 성질이 변하여 상기 약물을 분비하는 포토볼테익 물질(Photovoltaic material)
    중 어느 하나를 포함하는,
    약물 전달 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 약물 담지체는
    상기 약물 전달 장치가 체내에 삽입됨에 따라 발생 가능한 면역 반응 물질을 차단하고, 상기 약물 담지체의 유지를 위한 필요 물질 및 상기 약물을 선택적으로 통과시키는 선택적 투과막(selective membrane)에 수용되는,
    약물 전달 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 약물 전달 장치 외부의 전자 장치로 상기 약물 담지체의 반응 정도, 상기 약물의 방출량, 상기 약물 담지체의 교체 필요여부 중 적어도 하나에 대한 정보를 전송하는,
    약물 전달 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    대상 분자(target molecule)을 감지하는 전기화학 센서
    를 더 포함하고,
    상기 제어부는
    상기 전기화학 센서에서 상기 대상 분자를 감지한 결과에 기초하여 상기 발광부에서 출력되는 광의 광량 및/또는 노출시간을 조절함으로써, 상기 약물의 방출량을 제어하는,
    약물 전달 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 감지된 대상 분자의 농도에 기초하여 체내 대사 상태를 판단하고, 상기 판단된 체내 대사 상태에 따라 상기 약물 담지체로 광 자극을 인가할지 여부를 결정하는,
    약물 전달 장치.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 전기화학 센서는 체내의 혈당 레벨을 감지하고,
    상기 제어부는
    상기 감지된 혈당 레벨이 임계 레벨을 초과하는 경우에 응답하여 상기 약물 담지체의 인슐린 분비를 촉진하는 광 자극을 상기 약물 담지체에 인가하게끔 상기 발광부를 제어하는,
    약물 전달 장치.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 약물 전달 장치 외부의 전자 장치로부터 수신된 신호 및/또는 미리 저장된 정보에 기초하여, 상기 발광부에서 출력되는 광을 제어하는,
    약물 전달 장치.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 약물 담지체는
    상기 약물 전달 장치 외부로부터 추가 약물을 주입 받을 수 있는 교체 포탈을 포함하는,
    약물 전달 장치.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 발광부에 접촉되어 상기 발광부에서 광이 출력됨에 따라 발생하는 열을 상기 약물 전달 장치 외부로 배출하는 히트 싱크 패스웨이(heat sink pathway)
    를 더 포함하는,
    약물 전달 장치.
  20. 광에 반응하여 약물을 방출하는 약물 담지체로 광을 출력하는 발광부를 제어하는 단계; 및
    상기 약물 담지체를 통과하여 감광부에서 감지된 광량을 이용하여, 상기 약물 담지체가 광에 반응한 정도를 모니터링하는 단계
    를 포함하고,
    상기 발광부는 체내에 삽입되는,
    약물 전달 장치의 동작 방법.
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