[전문기술] 이식형 생체전자 시스템을 통한 장기 이식 거부반응 모니터링

[전문기술] 이식형 생체전자 시스템을 통한 장기 이식 거부반응 모니터링

 

■ 최근 이식된 장기의 거부반응을 실시간으로 장기간 모니터링 할 수 있는 이식형 생체전자 시스템(implantable bioelectronic systems) 개발에 관한 연구결과가 발표

○ 장기 이식은 수혜자의 수명을 상당히 연장할 수 있지만, 기증자와 수혜자 사이의 백혈구 항원 유전자형(leukocyte antigen genotype) 불일치로 인해 이식 거부반응이 발생

- 장기 이식 이후 생존율은 1년 92.7%, 5년 77.6%, 10년 49.5%로 거부 반응이 사망의 주요 원인으로 조사

 

○ 초기 거부반응이 발견되면 치료적 개입을 통해 이식된 장기의 기능을 보존할 수 있으나,

- 이식 거부를 탐지하기 위한 현재의 최적 표준(gold standard)으로 신장 피질 조직의 생검(biopsy)을 시행하나, 위험성* 때문에 이식 후 처음 24개월간 또는 관찰이 요하는 경우 1∼2회 정도 드물게 시행

* 출혈, 통증, 감염 및 인접 기관을 손상시킬 수 있는 등 합병증을 유발할 수 있음

 

■ 이러한 한계를 극복하기 위한 방법으로 장기 이식 실패를 추적할 수 있는 생체전자공학(bioelectronics) 기반의 연구결과가 발표

○ 연구팀은 거부반응 시 나타나는 생리적 현상을 물리적으로 모니터링 할 수 있는 이식형 생체전자 시스템을 개발

- 이식 거부와 관련된 염증 과정을 감지하기 위해 이식된 장기의 국소 온도와 열전도도를 실시간으로 장기간 모니터링 할 수 있은 이식형 생체전자 시스템을 제작

 

○ 연구팀은 쥐(rat) 신장 이식 모델에서 그 기능을 확인하였는데, 2022년 미국에서 시행된 40,000건의 장기 이식 중 약 60%가 신장 이식으로 신장 이식에 대한 거부반응 모니터링이 중요하며,

- 쥐(rat)를 기반으로 한 신장 이식 모델은 잘 특성화되어 있고, 반복성이 높으며 비용 효율적이어서 연구에 적합

- 특히, 무증상 거부반응은 신장 이식 수혜자의 10∼15%에서 이식 후 몇 개월에서 1년 이내에 발생하는 것으로 조사

 

○ 이식형 생체전자 시스템은 무선 전자장치(모듈)와 이에 연결된 바이오 센서로 구성

- 캡슐화된 바이오센서는 이식된 신장 표면에 장착되어 신장의 온도와 열전도도를 측정

※ 초소형(~0.3 × 0.7cm2), 신축성(20% 신축성), 유연성(굽힘반경 ≥ ~2.8mm), 초박형(~220μm), 부드러운(0.13μm ± 0.02 면적 표면 거칠기) 센서 설계를 통해 장기 표면에서 부드럽고 매끄러운 인터페이스를 제공

 

- 전자장치는 봉합사로 신장 근처 복벽에 고정하며, 센서와 전자장치를 전선으로 연결

※ 전자모듈에는 센서 판독 회로와 제어, 데이터 전송을 위한 Bluetooth 저에너지 시스템 칩, 전원 공급용 코인 셀 배터리가 포함

※ 소형의 전자모듈(~1.1 × 1.6cm 2, 두께(~0.5cm) 및 매끄러운 표면은 복강 내 삽입을 용이하게 하며. 자유롭게 움직이는 동물에 대한 실시간, 지속적인 데이터 수집은 부작용 없이 2개월 이상 안정적으로 작동하는 것을 확인

 

■ 면역억제제에 대한 개인별 투여 전략 수립 및 면역억제제의 효능을 이해하는 데 도움이 될 수 있을 것으로 기대

○ 이 연구는 무증상 급성 거부반응을 탐지하는 기술로서 T신장(Tkidney, 신장의 온도)과 k신장(kkidney, 신장의 열전도도)의 생물리학적 측정을 확립

- 침습적 생검과 비교하여 수술 회복, 약물의 영향, 일주기 리듬, 운동·활동 및 이식 거부에 대한 밀도 있는 장기적인 실시간 정보를 제공

- T신장은 면역억제 요법을 중단하거나 투여하지 않는 경우 거부반응에 대한 조기 경고를 제공

※ 신장 기능의 바이오마커인 혈청 크레아티닌 및 BUN(Blood Urea Nitrogen, 혈액요소질소)에 비해 더 높은 민감도를 제공

 

○ 이러한 이식형 장치를 인체에 적용하려면 더 큰 동물을 대상으로 한 실험을 통해 안전성과 기능성을 확인할 필요

- 또한 이식된 장치에 대한 이물질 반응을 고려하는 것도 중요한데, 심장 박동기와 같은 이식형 장치는 혈관 섬유증 및 조직 피막화를 유발하여 장기간 적용을 제한

- 위와 같은 장애물을 극복하여 이식형 생체전자 시스템이 인체에 성공적으로 적용된다면 환자 및 이식된 장기의 모니터링을 위한 기존 바이오마커에 비해 상당한 개선이 있을 것으로 기대