방광건강, 과학적으로 관리하는 길 열리다
실시간 방광 활동 분석 및 제어하는 생체 삽입형 바이오 전자 시스템 개발
고려대 황석원 교수팀, Science Advances 저널 논문 게재

▲왼쪽부터 장태민 (석박사통합과정), 이중훈 (박사과정), 황석원 교수

고려대 KU-KIST 융합대학원 황석원 교수팀이 삼성서울병원 및  Penn state 대학 연구팀과 공동 연구를 통해 부드럽고 신축성이 높은 생체 삽입형 전자 소자를 (Implantable electronic device) 방광에 결합하여 실시간으로 방광 활동을 모니터링하고 (온도변화, 근육 신호, 수축/팽창) 제어 시스템(배뇨 유도)을 이용하여 배뇨 질환을 치료 할 수 있는 시스템을 개발했다.

이번 연구결과는 세계적 권위의 과학저널 ‘사이언스 어드밴시스 (Science Advances)’ 11월 11일자 온라인 판에 게재됐다.
* 논문명 : Expandable and Implantable Bioelectronic Complex for Analyzing and Regulating Realtime Activity of the Urinary Bladder,
https://advances.sciencemag.org/content/6/46/eabc9675)

연구팀은 인체에 무해하고 유연/신축성이 높은 그물망 (Web) 구조 플랫폼에 다양한 센서와 광유전학 시스템 (optogenetics) 을 구성하여 주기적으로 부피가 변화하는 방광에 안정적으로 결합했고, 이를 소변 배출이 원활하지 못한 저활동성 방광(Underactive bladder) 배뇨 질환 모델에 적용하여 실시간 방광 활동(온도변화, 근육 신호, 수축/팽창) 모니터링을 통해 정확한 소변 배출 시점을 분석하고 광유전학 자극을 통해 원활한 배뇨를 유도할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다.
* 저활동성 방광질환 : 배뇨근의 수축력의 감소나 신경계 이상으로 소변 배출이 원활하지 못하여 방광을 완전히 비우지 못하고 잔뇨가 많이 남는 질환.
* 광유전학 (optogenetics) : 세포의 유전자 조작을 통해 특정 파장의 빛으로 자극하는 방법.

기존의 저활동성 방광 배뇨 기능장애를 치료하는 방법으로는 카테터(도뇨관)를 요도에 직접 삽입하여 소변을 수동적으로 배출하는 간헐적 자가도뇨법이 있다. 그러나 이 방법은 상당한 고통이 따르고 하루에 4-6회 도뇨를 실시해야하기 때문에 환자들의 삶의 질을 크게 저하시킬 뿐만 아니라 요로감염, 패혈증 등의 2차 합병증에 노출되는 문제점이 있다. 또한 현재까지는 도뇨법을 제외하고는 효과가 입증된 약물 및 수술적 치료방법이 현저히 부족한 상태이다. 따라서 본 연구팀이 개발한 실시간으로 방광 상태를 모니터링하고 광 자극을 통해 소변 배출을 유도하는 기술은 환자들의 삶의 질을 개선하고 합병증의 위험 부담을 낮출 수 있는 획기적인 방광질환 진단 및 치료법이 될 수 있는 계기를 마련했다.

방광의 배뇨질환을 위한 생체 삽입형 전자 소자는 신축/유연한 폴리머 기반(Ecoflex) 위에 성능이 뛰어난 센서들과 광 자극 시스템을 그물망과 serpentine 형태로 설계하여, 주기적으로 팽창/수축을 반복하는 방광의 움직임에도 접착제 없이 안정적으로 동작할 수 있도록 설계됐다.

이번 연구에서 방광의 배뇨를 유도하는데 적용된 광 유전학적 자극 기술은 빛에 반응하는 단백질인 채널로돕신을 바이러스를 통해서 방광 근육에만 선택적으로 발현시켜 광 자극을 통해 방광근육만 선택적으로 자극 시킬 수 있다는 장점이 있다. 그러나 기존의 광유전학적 기술은 병원성 바이러스를 사용해야하는 한계점으로 임상적 적용이 어려웠으나, 이번 연구에서는 인간 및 영장류에 질병을 유발하지 않음이 증명된 안정한 바이러스인Adeno-associated virus (AAV)를 이용하여 본 연구의 임상 적용 가능성을 보여주었다.

황석원 고려대 교수는 “이번 연구결과는 유연/신축 전자 시스템을 바탕으로 하는 공학 기술과 의학적 치료/연구의 융합을 통하여 그동안 효과적인 치료법이 부족했던 배뇨질환 치료에 유용한 기술이 될 것으로 기대하며, 방광뿐만 아니라 다양한 장기의 만성 질환을 진단 및 치료할 수 있을 것으로 기대된다.”고 밝혔다.

[논문에 게재된 대표그림 설명]

▲그림1. 배뇨 질환에 대한 개요와 개발된 디바이스의 전체 개략도. A. 정상적인 배뇨활동을 하는 방광(왼쪽) 모습과 비정상적으로 배뇨 기능이 떨어진 저활동성 방광(오른쪽)의 모습. 방광의 잔뇨로 인해 발생 될 수 있는 기능장애 (1. 배뇨 장애, 2. 방광의 비대화, 3. 소변 역류를 통한 신장기능 상실)를 보여주는 모습. B. 개발된 디바이스의 전개도. 구조적으로 전자 망 (Electronic web)에 전자 실(Electronic thread)이 결합되어 방광에 안정적으로 부착되며, 전자 실에는 방광의 상태를 모니터링 할 수 있는 센서들과 (온도변화, 근육 신호, 수축/팽창), 광 자극을 할 수 있는 LED array가 구성되어 있음. 방광의 지속적인 모니터링을 통해 소변이 일정 이상 차오름을 분석하면 광 자극을 통해서 방광의 배뇨를 유도함. C. 실제 쥐의 방광에 개발된 센서 및 광 자극 시스템이 결합한 사진.

▲그림2. A. 개발된 센서와 광 자극 시스템이 구성된 전자 실 (Electronic thread)의 실제 모습과 구동 사진. 전자 망(Electronic web)에 결합하여 사용되는 신축 유연한 전자 실은 모니터링 센서들과 광 자극 시스템이 array 형태로 분포되어 방광 전체의 종합적인 상태를 측정할 수 있으며 광 자극 역시 방광 전체에 고르게 조사될 수 있음. B. 배뇨 질환 치료 검증을 위한 쥐 실험 개략도(왼쪽) 및 실험 모습(오른쪽). 배뇨 질환이 발현된 쥐의 방광에 개발한 디바이스를 안정적으로 결합하여 광 자극을 통해서 배뇨를 유도함. 배뇨 된 소변의 양을 정량적으로 측정하여 배뇨 질환 개선을 증명함. C. 개발한 센서로 실시간으로 측정된 방광의 종합적인 활동과 광 자극을 통해서 배뇨가 정상적으로 유도된 것을 증명하는 결과.

커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)