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바이오통신원   
韓-美 공동연구로 신경재생 및 재활을 위한 새로운 전기치료법 개발
의학약학 고려대학교 (2020-11-30)

중증 신경손상 환자의 전기자극 치료기간을 늘림으로써 빠른 신경재생 및 재활을 기대
 

고려대 구자현 교수, 노스웨스턴대 John A. Rogers 교수, UCLA Song Li 교수, 노스웨스턴대 최연식 박사

<고려대 구자현 교수, 노스웨스턴대 John A. Rogers 교수, UCLA Song Li 교수, 노스웨스턴대 최연식 박사>


한국과 미국의 공동연구를 통해 손상된 신경을 전기치료 후, 몸속에서 스스로 녹아 사라지는 생분해성 전자의료기기가 개발됐다.

고려대 바이오의공학부 구자현 교수연구팀과 미국 노스웨스턴 대학 (Northwestern University) 최연식 박사의 공동연구를 통해 절단된 말초신경을 전기치료하고 사용이 끝난 후에 몸에서 스스로 분해되어 사라지는 새로운 전기치료법을 개발했다. 이번 연구결과는 11월 25일 Nature Communications, IF=12.121)에 온라인 게재됐다. 이번 연구는 한국연구재단 기초연구사업 기본연구 (NRF-2020R1F1A1068083) 지원으로 성과를 이루었다. (논문: Stretchable, dynamic covalent polymers for soft, long-lived bioresorbable electronic stimulators designed to facilitate neuromuscular regeneration)

■ 말초신경 손상
우리 주변에서 교통사고, 산업재해 등 일상 중에 흔히 발생하는 말초 신경손상은 미국에서는 연간 20만 건, 국내에서는 연간 만건 이상 보고되는 흔한 부상이다. 말초신경이 손상되면 자연적으로 어느 정도 회복이 가능하지만, 재생속도가 느려 신경재생이 불가능해지거나 부상 정도에 따라 영구적인 근육장애를 유발하게 된다. 재생 및 재활중에 신경재생속도가 근육회복률 및 후유증을 결정하는 중요한 요소이며, 신경재생을 가속하기 위한 연구 노력이 진행되고 있다. 특히, 최근에는 전기자극을 통해 신경재생을 촉진 시키는 생분해성 전자약의 효능이 주목받고 있다.

전자약이란 전기신호를 통해 체내의 장기, 조직, 신경 등을 자극하여 세포의 활성도를 향상시켜 재생속도를 향상시키거나 생체반응이 활발히 이뤄지도록 치료하는 기술을 포함한다. 전자약을 통해 손상된 신경을 전기자극하면 신경세포가 활성화되며 축색돌기의 분화가 가속되어 신경재생의 속도가 빨라져 치료효과를 극대화할 수 있는 것으로 알려져 있다.

특히, 생분해성 전자약은 체내에서 삽입되어 무선으로 작동할 뿐만 아니라 치료후에 신경을 감싼 전극이 주변 조직에 의해 안전하게 분해되어 흡수되기 때문에, 사용 후 전자약을 제거하는 과정에서 발생하는 신경의 2차 손상을 근본적으로 해결하는 획기적인 기술로, 본 연구팀이 2018년 세계 최초로 개발한 기술이다.

연구진은 생분해성 전자약의 전극을 생체조직과 유사하게 늘어나는 구조로 설계 및 제작하여, 전자약의 수명을 기존 6일에서 2주 이상 향상시켜, 새로운 전기자극 치료법을 가능하게 하였다. 기존에는 척수에 가까운 근부위(proximal) 신경에만 전기자극 효과가 있다고 알려져 왔으나, 획기적인 전자약 수명연장으로 원부위(distal) 신경에 전기자극이 가능해졌으며, 원부위에도 효과가 있음을 세계 최초로 검증하여, 신경재생 분야의 주목을 받고 있다.

연구진은 생분해성 무선 전자약 기술이 말초신경의 치료뿐만 아니라 외상성 뇌손상 및 척추손상 등 중추신경의 재활과 부정맥 치료 등을 위한 단기 심장박동기에도 응용이 가능할 것으로 기대하고 있다. 구자현 교수는 세계 최초로 생분해성 전자약을 개발하여 2018년 Nature Medicine 지에 논문을 게재한 뒤 약 2년 만에 신경 전기치료기술로서의 의료소자를 성공적으로 제시함으로써 생분해성 전자소자의 시장에서 한국 연구진이 중추적인 역할을 수행할 것이라고 기대하고 있다.

구자현 고려대 교수는 “생분해성 전자의료기술과 무선통신이 결합된 의료기기를 개발함으로써, 환자 맞춤형 신경치료 시대가 도래할 것”이라며 “특히, 기존의 획일화된 전기치료법에서 벗어나 복합 전기치료가 가능해져 전기치료의 효과를 극대화 할 수 있다.”고 말했다.

■ 개발된 디바이스의 특징
   이번 연구개발한 생분해성 전기자극 의료기기는 모든 구성성분이 체내에서 안전하게 분해되고 흡수되어 체내에 축적되지 않고, 신장을 통해 몸밖으로 배출되는 생체적합한 의료기기이다. 그 크기는 약 1cm X 1cm의 동전 크기정도이다. 특히, 전기신호를 손상된 신경에 전달함으로써, 신경재생 효과가 탁월한 디바이스다. 이번 연구에서 기존에 수일밖에 사용하지 못한 디바이스의 수명을 2배 이상 늘림으로써, 중증 신경손상 환자에게도 전기자극을 지속적으로 전달할 수 있는 길이 열렸다. 기술의 핵심은 신경주변의 근육조직과 매우 유사한 신축성을 지닌 전극 구조와 폴리머의 적층구조에서 찾을 수 있는데, 움직임이 많은 쥐의 다리신경에서 2주 이상 그 효능을 검증함으로써, 새로운 신경 전기치료 시대가 열릴 것이라 기대한다.

■ 새롭게 시도된 전기치료의 특징
   기존에는 근위부(proximal) 신경에 짧게 1시간 전기자극을 가함으로써, 신경재생을 유도해왔으나, 장수명 생분해성 무선전기자극 의료기기의 개발로 원위부(distal) 신경에도 전기자극이 가능해졌다. 원위부(distal) 신경자극의 효과를 보기 위해서는 지속적인 원위부(distal) 전기자극이 필요한데, 이번에 개발된 장수명 전기자극 의료기기의 개발로 원위부(distal) 전기자극 치료법이 신경재생 및 근육 재활에 도움이 된다는 새로운 결과를 제시했다. 이번 연구에서 제시한 원위부(distal) 전기치료 효과는 한국 연구진이 세계 최초로 제시한 것에 그 의의가 있다.
 

말초신경 전기자극 개념도

[그림 1] (1) 말초신경 전기자극 개념도 (왼쪽). (2) 생분해성 무선전기자극 디바이스 구조 (가운데). 모든 전자회로 구성성분은 생분해성 소재로 이루어져 있음. (3) 신경에 적용한 전극계면 모식도 (오른쪽).

확대된 생분해성 무선전기자극 디바이스 구조와 신경에 적용한 전극 계면 모식도

[그림 2] 확대된 생분해성 무선전기자극 디바이스 구조와 신경에 적용한 전극 계면 모식도.

생분해성 전기자극 의료기기는 생체모사 유체에서 녹는 것을 확인함

[그림 3] 생분해성 전기자극 의료기기는 생체모사 유체에서 녹는 것을 확인함. 생체모사 유체에서 온도(pH=7.4; 90°C)를 높여 가속화 실험을 할 경우, 약 40일에 걸쳐 녹는 것을 확인함. 체내온도인 37도에서 녹일 경우, 1년 이내에 녹을 것으로 계산함.

경에 전기자극 후, 6주 후 향상된 근육 조직 사진. 빨간색은 근육 조직의 경계를 나타냄으로써, 전기자극을 인해 근육세포가 큰 면적을 가지고 있는 것으로 보아 성장한 것을 확인할 수 있음

[그림 4] 신경에 전기자극 후, 6주 후 향상된 근육 조직 사진. 빨간색은 근육 조직의 경계를 나타냄으로써, 전기자극을 인해 근육세포가 큰 면적을 가지고 있는 것으로 보아 성장한 것을 확인할 수 있음.

생분해성 금속과 폴리머로 설계된 신축성 전극 시연

[그림 5] (1) 생분해성 금속과 폴리머로 설계된 신축성 전극 시연 (왼쪽). (2) 신축성이 있는 디바이스를 쥐의 왼쪽 다리 신경에 임플란트 한 후, 마이크로 CT를 이용하여 찍은 이미지 (오른쪽).

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