심장은 전기신호에 따라 심근육의 수축과 이완을 반복해 온몸의 혈관으로 혈액을 펌프질한다. 만약 심근육 혈관이 혈전으로 막혀 심근경색이 생기면, 그 부분의 심근세포들이 산소와 영양분을 공급 받지 못해 괴사한다. 그 결과 해당 부위의 전기신호 전달이 막혀 심부전이 발생하게 된다.

건강보험심사평가원에 따르면, 국내 심부전 환자는 ’11년 11만명, ’13년 11만 5천명, ’15년 12만명으로 가파른 증가추세를 보이고 있다. 심부전증은 진단환자의 30~40%가 진단 후 1년 내 사망하고, 60~70%는 5년 내 증상악화나 급성 발작으로 사망할 만큼 치사율이 높아, 획기적인 치료법이 시급한 실정이다.

미래창조과학부 산하 기초과학연구원 나노입자 연구단(단장 현택환, 서울대학교 화학생물공학부 교수)의 김대형 연구위원(서울대학교 화학생물공학부 교수) 연구진은, 은 나노선과 고무를 소재로 한 복합체를 이용, 심부전을 획기적으로 치료할 수 있는 ‘소프트 심장 자극기’를 개발했다. 자극기는 심장 외부를 감싸는 그물망 형태의 전극으로, 심장 전체에 전기자극을 전달해 수축을 돕는다. 또 심장이 이완할 때는 부드럽게 늘어나 이완을 방해하지 않는 것이 특징이다.

기존의 심장 자극기는 전극이 닿는 일부분만 자극할 수 있어, 재동기화  성공 확률이 낮았다. 따라서 일부 환자만이 효과를 볼 수 있으며, 오히려 심장 박동을 불규칙하게 해 심장마비나 부정맥 등 부작용을 유발하기도 한다.

연구진이 개발한 자극기는 심장 전체에 전기자극을 전달해 이러한 부작용이 없고, 심장의 운동을 보조하는 역할까지 해 심장 기능을 획기적으로 개선할 수 있다. 연구진은 고전도성을 유지하는 전극을 만들기 위해 은 나노선을 채택하고, 금을 도금해 나노선의 독성을 차단했다. 또한 심장외막을 안정적으로 감싸기 위해 고무와 혼합, 구불구불하고 탄성을 가진 그물망 전극을 구현하였다.

연구진은 심근경색을 유발한 실험용 생쥐에 자극기를 적용해 실험한 결과, 심장신호를 정확하게 읽을 수 있었으며, 미세한 전기 자극으로도 심장을 효과적으로 재동기화 할 수 있었다. 자극기는 기계적 특성이 심장조직과 비슷해 심장의 이완 시 심장에 전혀 무리를 주지 않았고, 수축 시 심장을 도와 심실 벽의 스트레스를 줄여 심장의 부하를 덜어줬다. 더불어 유연한 전극이 심장을 고루 감싸 전기자극을 전달해 심근경색 생쥐 심장의 수축기능을 향상시켰다. 향후 임상을 거쳐 자극기가 본격적으로 활용될 경우, 심근 경색 및 심부전 치료에 큰 도움이 될 전망이다.

연구를 주도한 김대형 연구위원은 “앞으로 대(大)동물 실험과 임상 실험을 진행함은 물론, 기존 소재를 체내 장기에도 사용이 가능한 무독성 재료로 대체하는 추가 연구도 진행할 예정”이라며, “본 연구 성과가 근시일 내 심장질환을 획기적으로 치료할 수 있는 표준치료법으로 자리 잡을 수 있도록 연구에 매진하겠다”고 밝혔다. 

이번 연구 성과는사이언스 중개의학(Science Translational Medicine, IF 15.843)에 6월 23일자로 온라인 게재되었다.
    * 논문제목 :  유연신축성 심외막 그물망 전극을 이용한 전기기계적 심장성형
      (Electromechanical cardioplasty using a wrapped elasto-conductive epicardial mesh)
    * 제1저자 : 서울대학교 융합과학기술대학원 박진경 (박사), 화학생물공학부 최수지 (석박사통합과정생)
    * 교신저자 : 현택환 IBS 연구단장(서울대학교 화학생물공학부 교수), 김대형 IBS 연구위원(서울대학교 화학생물공학부 교수), 황혜진 교수(하버드 의과대학 교수)

연 구 결 과 개 요

Electromechanical cardioplasty using a wrapped elasto-conductive epicardial mesh

Jinkyung Park†, Suji Choi†, Ajit H. Janardhan, Se-Yeon Lee, Samarth Raut, Joao Soares, Kwangsoo Shin, Shixuan Yang, Chungkeun Lee, Ki-Woon Kang, Hye Rim Cho, Seok Joo Kim, Pilsun Seo, Wonji Hyun, Sungmook Jung, Hye-Jeong Lee, Nohyun Lee, Seung Hong Choi, Michael Sacks, Nanshu Lu, Mark E. Josephson, Taeghwan Hyeon*, Dae-Hyeong Kim*, Hye Jin Hwang*
(Science Translational Medicine, 8, 344ra86, (2016))

심장은 수축과 이완을 반복하며 온몸에 혈액을 공급하는 장기이다. 심장 내 동방결절에서 만들어진 규칙적인 전기신호는 심장전체로 퍼져 심장박동을 일으킨다. 만약 혈액의 이상 응고로 생긴 혈전이 혈관을 막아 심장 세포로 공급되는 산소와 영양분의 이동에 차질이 생길 경우, 심장 일부는 제 기능을 상실하게 된다. 그 결과 전기신호 전달은 불규칙해지고, 이 같은 상황이 지속될 경우 심부전(heart failure)이 나타난다.

본 연구진은 심장이 받는 부담은 최소화하면서 불안정한 전기신호를 심장 전체에 균일하게 줄 수 있는 ‘소프트 심장 자극기’를 선보였다. 은 나노선에 금을 도금해 소재가 가진 독성을 차단한 자극기는 전기전도도가 높아 미세한 전류로도 심장의 대면적에 고른 전기 자극을 줄 수 있다. 또한 연구진은 고무를 첨가해 자극기의 탄성을 심장조직과 비슷하게 만들어, 심장이 받을 수 있는 스트레스를 최소화한 상태로 심장의 재활을 도울 수 있도록 설계했다. 이번에 개발된 자극기를 심근경색이 유도된 생쥐를 대상으로 실험한 결과, 혈액 순환을 담당하는 심실의 수축성이 높아지고 규칙적인 조율이 가능해짐을 관찰했다. 생쥐들의 심근경색 증상을 완화됐고, 장기 생존율을 높일 수 있었다.

1980년대 심장의 양(좌, 우) 심실을 감싸 기능이 저하된 심장을 회복시키는 심장성형이 처음 개발된 이 후, 미국심장학회와 미국심장협회는 심장질환의 표준 치료법으로 보조기 사용을 제시했다. 하지만 기존 보조기는 자극의 범위가 국소적이라 일부 환자만이 효과를 볼 수 있으며, 오히려 심장 박동을 불규칙하게 해 심장마비나 부정맥 등 부작용을 유발하기도 한다. 그렇기 때문에 이번에 연구진이 개발한 자극기와 같이 심부전 환자의 치료에 있어 넓은 면적의 심장근육이 동시에 수축 되도록 도와줄 수 있는 포괄적인 접근이 무엇보다 중요하다.

연구 이야기

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

 김대형 연구위원은 휘거나 늘릴 수 있는 전극 개발을 구상하던 중 은나노선이 효과적이라고 생각해 연구를 시작했다. 심장 내과 전문의 황혜진 박사와 정기적인 학문교류 미팅에서 심장의 재동기화 치료방법에 신축성 있는 장치를 응용해보자는 제안을 듣고, 본격적인 동물실험을 통한 연구가 시작되었다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

 현택환 연구단장 연구팀의 나노물질과 김대형 연구위원 연구팀의 늘어나는 전극의 공동연구가 먼저 선행이 되었다. 늘어나도 안정적인 저항 변화를 갖는 은나노선을 기반으로 연구를 시작하였으며, 양쪽 연구팀의 활발한 협업으로 은나노선의 합성부터 리간드 익스체인지, 고무와의 혼합, 패터닝까지 재동기화 전극을 위한 최적화 과정이 진행되었다. 또한 황혜진 박사와의 끊임없는 논의로 생쥐 심장에 적합한 심외막 그물망 전극을 만들게 되었으며, 심근경색을 유발한 실험용 생쥐에서 그에 대한 효과를 확인 하게 되었다.  

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

 물질의 합성이나, 공정에 익숙한 연구팀은 동물실험을 하는 것이 쉽지 않다. 당시 연세대 소속의 연구원의 도움으로 심근경색을 유발한 생쥐도 만들 수 있었고, 마취와 수술 등의 도움을 받아 연구를 진행될 수 있었다. 처음에 쥐도 못 만지던 연구원들도 점차 익숙해져 직접 실험에 참여하게 되면서, 연구는 더욱 더 활발히 진행되게 되었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

 기존의 심장성형은 카테터 전극을 통해 이루어 졌는데, 양 심실의 동시 수축을 위한 국지적인 자극만 주어진다. 반면 심외막 그물망 전극은 넓은 면적의 자극을 통해 양심실이 동시에 효과적으로 재동기화 할 수 있게 하며, 심외막에 하중을 덜어줘 심외막 스트레스를 줄여주는 효과도 확인됐다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?

 은 나노선은 고전도성 가졌고, 구조적 측면에서 늘어나도 안정적인 전극을 구현하기 적합하지만, 생체 내 오랜 시간 삽입 시 독성을 띈다. 이번 연구성과에서는 이를 개선하기 위해 금으로 은 나노선을 코팅을 했고, 추후 적합한 금 나노선을 합성하여 재동기화 전극에 대한 개선을 목표로 하고 있다. 또한 쥐보다 큰 대동물에서 효과를 확인하는 등 임상에 가까운 연구를 하고자 한다.

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

 나노재료, 신축소자, 심장의학을 하는 전혀 다른 세 분야의 사람이 만나 경험 지식도 다르고, 생각하는 관점과 해석이 달라, 서로를 이해하는데 많은 토론이 필요했다. 예를 들면 스트레스라는 단어에 대해 의학적 관점에서는 심장이 받는 힘을 생각하고 소자의 관점에서는 소자가 늘어날 때 받는 힘으로 생각을 해, 심장과 디바이스사이에 스트레스의 영향에 대해 설명할 때에 처음에는 이해가 어려운 점이 있었다. 하지만 새로운 접근의 즐거움과 열정, 그리고 서로에 대한 경청과 존중으로 결국 좋은 결과를 얻을 수 있었다.

[그림 1] 심장의 전기적 기계적 특성과(좌), 이러한 특성을 적용한 심외막 그물망(중). 은 나노선과 고무 복합체(우)로 구성되어있어 심장의 수축, 이완에도 높은 전도성을 유지할 수 있다.

[그림 2] 심외막 그물망의 구조를 보여주는 사진(좌)과 단면을 보여주는 전자현미경사진(우).

[그림 3] 생쥐 심장에 감싼 심외막 그물망(좌)과 표면 심전도, 기존 카테터, 그리고 심외막 그물망을 이용한 심전도 측정(우). 카테터 대비 심외막 그물망을 사용했을 때 훨씬 안정적인 심장 전기 신호를 보인다.

[그림 4] 심외막 그물망의 심실세동 측정과(위), 심외막 그물망을 이용한 제세동(아래). 심외막 그물망에 의해서 비정상적인 전기신호를 감지할 수 있고 전기를 가해 심실의 잔 떨림을 종료 시킬 수 있다.