Q&A:소프트 전자 장치는 심장 부정맥을 치료합니다

이고르 에피모프(Igor Efimov) 교수와 워싱턴 DC의 조지워싱턴 대학교(George Washington University) 팀은 일리노이주 시카고에 있는 노스웨스턴 대학교(Northwestern University)의 존 로저스(John Rogers) 교수 연구실과 협력하여 유연한 전자 장치를 사용하여 최소 침습 수술에서 환자의 결과를 개선하는 새로운 종류의 의료 기기를 개척하고 있습니다. 수술.

기술 요약: 이 프로젝트를 어떻게 시작하게 되었나요?

박사. 이고르 에피모프: 나는 꽤 오랫동안 심장 연구를 해왔습니다. 저는 오랜 혁신 문화를 가지고 있고 많은 주요 돌파구를 가지고 있는 Cleveland Clinic에서 독립 연구원으로 경력을 시작했습니다. 그곳에서 많은 뛰어난 심장 전문의와 함께 일했고 그 경험을 통해 진정으로 변화했습니다.

내 작업은 부정맥과 심장 리듬 장애의 치료에 중점을 두었습니다. 두 번째로 중요한 경험은 약 7~8년 전이었습니다. 의료 기기를 구현하기 위한 새로운 플랫폼을 찾고 있었는데 생물학적으로 적합한 재료를 개발하고 있던 John Rogers의 작업을 보게 되었습니다. 그는 이미 신경과학 분야의 일부 생물학자들과 함께 일했습니다. 나는 그를 심장학에 대해 나와 함께 협력하도록 초대했고 그 이후로 우리는 많은 일을 함께 해왔습니다. 첫째, 우리는 기관 컨포멀 전자를 위한 플랫폼을 만들었습니다. 그런 다음 우리는 계속해서 신호 처리, 증폭, 다중화 등을 허용하는 자체 미세 회로가 장착된 의료 기기인 "스마트" 전자 제품을 위한 플랫폼을 만들었습니다. 우리의 다음 프로젝트는 배터리가 필요 없는 이식형 심장 박동기였습니다. 우리는 이제 더 이상 필요하지 않은 후에 흡수될 수 있도록 체내에 흡수되도록 만들기 위해 노력하고 있습니다.

기술 요약: 배터리가 필요 없는 기기는 어떻게 전원을 공급받나요?

박사. 에피모프: 심박 조율기에는 외부 안테나와 일치하는 안테나가 있습니다. 옷이나 웨어러블 패치에 내장된 신체 외부의 회로를 가질 수 있습니다. 이 회로는 유도 전력 전송을 사용하여 이식된 전자 장치에 에너지와 프로그래밍을 전송합니다.

약 2013년에 우리는 마우스에서 작동하는 심장 박동기를 설계했습니다. 그러나 불행히도 우리는 너무 뻣뻣한 은선 전극을 사용하여 심장 근육에 손상을 입혔기 때문에 쥐의 사망률이 매우 높았습니다. John이 설계한 부드러운 등각 전자 장치를 사용하는 아이디어를 얻었습니다. 그것이 나의 첫 자극이었습니다. 나는 그에게 내 문제를 해결할 수 있는지 물었고 그는 해냈습니다.

가장 최근의 논문에서는 경피적 경정맥 카테터용 장치를 만드는 방법에 대해 설명합니다. 이식되지는 않지만 심장 내부에 삽입되어 부정맥이 있는 곳으로 이동합니다. 두 가지 다른 기능을 제공할 수 있는 세 가지 유형의 센서 및 액추에이터와 함께 다섯 가지 기능이 있습니다. 이러한 종류의 다기능, 다중 물리학을 통해 절제 치료의 속도를 극적으로 향상시킬 수 있습니다. 절제는 심장 리듬 장애 치료에 사용되는 최첨단 기술입니다. 심방세동(AF)이나 심실빈맥이 있는 환자의 85%는 약물로 치료할 수 없기 때문에 이 질병을 안고 살아야 합니다. 불행히도 이는 뇌졸중 발병률과 사망률을 극적으로 증가시킵니다. 미국에만 약 5백만 명의 AF 환자가 있습니다. 전 세계적으로는 약 1,500만 명이고, 2050년에는 기대 수명 연장으로 인해 심방세동이 있는 사람이 5,000만 명에 이를 것으로 예상됩니다.

심장 절제술은 심방세동을 일으키는 심장 조직을 파괴하여 심방세동을 교정할 수 있는 절차입니다. 현재는 여러 개의 하드웨어를 삽입하여 치료합니다. 하나는 심장의 전기 신호를 기록하여 부정맥을 매핑하는 전기도를 만드는 데 사용됩니다. 이 전기도는 부정맥의 원인을 이해하는 데 사용할 수 있습니다. 그런 다음 절제를 수행하기 위해 다른 하드웨어를 삽입할 수 있습니다. 절제란 본질적으로 조직 온도를 약 55°C – 60°C[131°F – 140°F]로 증가시키는 RF 전류를 사용하여 조직을 태우는 것을 의미합니다. 결과적으로 부정맥의 원인이 되는 세포를 죽이고 AF를 죽일 수 있기를 바랍니다. 하나는 위치, 다른 하나는 절제를 위해 비동기식으로 절차를 수행하기 때문에 제대로 수행하는 데 많은 기술적인 어려움이 있습니다. 전극을 삽입할 때 분명히 직접적인 가시선이 없기 때문에 엑스레이가 필요합니다. 심장 내부의 하드웨어를 보고 제대로 탐색할 수 있는 유일한 방법은 X선 스냅샷을 사용하는 것입니다. 이것은 환자와 의사를 완전히 안전하지 않은 방사선량에 노출시킵니다. 우리의 기술은 매핑과 절제를 하나의 장치에 결합하여 방사선을 줄일 수 있습니다. 우리의 장치에는 심장의 넓은 영역을 덮는 수많은 센서와 작동기가 있기 때문에 장치를 여러 번 바꿀 필요가 없습니다. 따라서 카테터를 반복적으로 재배치하지 않고 매핑 및 절제할 수 있으므로 방사선 노출이 줄어듭니다.

이러한 매핑 장치에는 일반적으로 존재하지 않는 몇 가지 추가 양식이 있습니다. 온도 센서 매트릭스와 또 다른 하나는 힘 센서입니다. 이 두 매트릭스는 실시간으로 판독값을 제공합니다. 온도 센서를 사용하면 절제할 때 온도를 모니터링할 수 있습니다. 이는 올바른 온도 범위에 있지 않으면 절제가 실패하기 때문에 매우 중요합니다. 소화 목표를 100°C 초과하면 간질액과 혈액이 끓어 거품과 같은 문제가 발생하여 경색 및 뇌졸중을 유발할 수 있기 때문에 위험합니다. 따라서 매우 정확해야 합니다. 힘 측정 매트릭스를 사용하면 절제 매트릭스와 심장 사이의 물리적 접촉이 양호한지 확인할 수 있습니다. 이는 절제에 매우 중요합니다. 심장 자체에 적절한 에너지를 전달하지 않습니다.

절제가 지금 수행되는 방식은 말 그대로 심장 내부에 삽입하는 와이어인 단일 원포인트 카테터를 사용하는 것입니다. 우리의 경우 심장의 넓은 영역을 덮는 100개의 센서가 있습니다. 이 매우 중요한 접촉은 힘 측정을 통해서만 설정할 수 있습니다. 불행히도 심장은 연조직이고 심장 근육과의 접촉이 매우 작기 때문에 X-선으로 심장을 볼 수 없습니다. 따라서 엑스레이로 카테터를 볼 수 있지만 심장 자체는 볼 수 없습니다.

우리의 장치는 또한 우리가 대체 유형의 절제를 수행할 수 있도록 합니다. 현재 RF 전류가 온도를 증가시키기 때문에 열 절제라고 하는 RF에 의해 주로 수행됩니다. 또는 널리 사용되는 냉동 절제술을 사용할 수 있습니다. 이는 흔하지는 않지만 심장을 동결시키는 절차입니다.

현재 부상하고 있는 또 다른 방법은 비가역적 전기천공법(irreversible electroporation)이라고 하며, 조직을 태우는 대신 세포막에 구멍을 뚫어 세포를 죽이는 고전류를 가합니다. 마이크로초 안에 완료되지만 RF와 같은 열 방식은 조직을 죽일 수 있도록 요리하는 데 몇 분이 걸립니다. 비가역적 전기천공법은 현재 비열 기술로 부상하고 있지만 아직 심장 응용 분야를 위해 완전히 개발되지는 않았습니다. 하지만 우리 기기에는 그렇게 할 수 있는 기능이 있습니다.

요약하자면, 당사 장치는 여러 위치에서 절제를 수행할 수 있습니다. 카테터를 이리저리 움직일 필요가 없습니다. 동일한 장치에서 파생된 부정맥 지도를 기반으로 필요에 따라 전체 영역을 절제할 수 있습니다. 이것은 고유합니다. 동일한 장치에서 매핑 및 제거 기능이 있는 이전에는 수행되지 않았습니다. 또한 열 및 힘 감지로 안전을 보장합니다.

기술 요약: 한 가지 질문:전기천공의 경우 전류가 세포를 통과합니까?

박사. 에피모프: 그렇습니다. 조직이나 세포를 자극하여 충분한 양의 에너지를 가하면 전류가 일반적으로 비전도성인 지질막을 통해 흐르기 때문에 막을 파괴합니다. 그들은 본질적으로 전기 전도성이 아닌 지방으로 구성되어 있지만 충분한 에너지를 가하면 막을 천공하여 세포를 죽일 것입니다.

가역적 전기천공법은 약간 더 적은 에너지를 사용하는 또 다른 응용입니다. 그것은 거대 분자의 전달에 사용됩니다. 유전자 치료의 경우 한 가지 예를 들자면 세포에 구멍을 뚫고 구멍을 뚫어야 하지만 약한 구멍을 만들어야 합니다. 그리고 그 구멍은 나중에 스스로 수리됩니다. 이를 통해 RNA 조각이나 단백질 또는 기타 큰 분자와 같은 거대 분자를 세포 내부에 넣을 수 있습니다. 이들은 손상되지 않은 세포의 막을 통과할 수 없지만 전기천공 전류에 의해 생성된 구멍을 통과할 수 있습니다. 우리는 우리 장치도 그 용도로 사용할 계획입니다. 따라서 심장의 일부 영역에서 유전자 치료가 필요한 경우 전기천공 전류를 전달하고 적절한 치료를 제공할 수 있습니다.

기술 요약: 기기에 RF 전력을 공급하는 방법과 난방을 위한 충분한 RF 전력을 얻는 방법은 무엇입니까?

박사. 에피모프: 좋은 질문. 이 장치가 실제로 이식할 수 없는 이유를 보여줍니다. 우리의 장치는 외부 전자 장치에 케이블로 연결된 카테터이며 풍선과 같은 구조에 장착되어 있습니다. 절개를 하고 일반적으로 사타구니 부위의 정맥을 열고 정맥을 통해 심장으로 들어가지만 케이블로 외부 전자 장치에 연결됩니다. 그것이 마음에 있을 때 당신이 그것을 전개하고, 당신은 그것을 떼고 그것은 형태를 취합니다. 또는 풍선 내부에 식염수를 삽입하면 적절한 모양이 됩니다. 조직에 닿아도 단단히 고정되어 있습니다. 그래야 충분한 에너지를 전달할 수 있습니다. 지금 당장은 무선이나 배터리로 이와 같은 것을 전달할 수 있을 만큼 큰 에너지원을 알지 못합니다.

기술 요약: 전기천공법도 마찬가지입니까?

박사. 에피모프: 예, 특히 전기천공은 실제로 훨씬 더 높은 에너지를 필요로 합니다. 그러나 이 절차에는 이식할 수 있는 것이 필요하지 않습니다. 미국에서만 연간 수십만 명의 환자가 부정맥의 징후로 절제 수술을 받습니다. 내가 말했듯이, 약물은 일반적으로 효과가 없으므로 그것에 대해 할 수 있는 유일한 방법은 절제하는 것입니다. 절제를 위해 전극을 삽입하고 환자는 테이블에 누워 가볍게 진정됩니다. 케이블을 삽입하고 절차를 수행하고 하드웨어를 제거한 다음 환자는 집으로 돌아갑니다.

하지만 다른 절차도 진행 중입니다. 사실, 저에너지 요법으로 심방세동이나 심실세동을 치료하는 이식형 장치를 개발했지만 이 장치로 절제하지 않습니다. 우리는 부정맥을 끝내기 위해 낮은 에너지에서 일련의 펄스를 적용합니다. 그러나 이식형 기기는 환자의 몸에 오랫동안 두어야 하기 때문에 요구 사항이 훨씬 더 엄격합니다.

기술 요약: 귀하의 그림에서 카테터 끝에 있는 풍선에 많은 수의 센서와 작동기가 있는 것을 보았습니다. 어떻게 연결합니까?

박사. 에피모프: 구불구불한 전선으로 직접 연결할 수 있어 유연성이 있지만 이 경우 병목 현상이 발생합니다. 따라서 우리는 각 센서와 액추에이터에 자체 회로를 장착합니다. 그것이 센서라면 증폭, 필터링 및 다중화를 위한 회로가 있습니다. 액츄에이터라면 멀티플렉싱을 합니다. 높은 처리량 시스템에 대해 이야기하는 경우 멀티플렉싱이 필요합니다. 미래에는 수백에서 수천 개의 센서와 액추에이터가 필요하므로 멀티플렉싱이 반드시 필요합니다.

기술 요약: 어떤 종류의 액추에이터를 사용합니까?

박사. 에피모프: RF 절제용이든 비가역적 전기천공용이든 이 애플리케이션의 경우 전기만 사용합니다. 그러나 이전에 우리는 예를 들어 광학 분광법과 같은 빛을 위한 액추에이터를 가질 수 있는 방법에 대해 썼습니다. 그런 종류의 장치에 있는 액추에이터에는 LED와 포토다이오드가 있습니다. LED는 특정 파장의 빛을 방출하여 심장 내부의 분자에서 형광을 일으키고 포토다이오드는 그 형광을 수집합니다. 그것은 예를 들어 신진 대사와 같은 심장의 다양한 세포 과정에 대한 정보를 제공합니다. 그래서 다양한 종류의 센서와 액츄에이터가 있습니다.

기술 요약: 실험 동물에게 이것을 테스트해 보셨습니까?

박사. 에피모프: 배터리가 필요 없는 소형 심장 박동기를 개발한 이전 프로젝트에서 우리는 쥐에게 이식할 수 있음을 보여주었습니다. 쥐는 한 달 정도 사용할 수 있고 장기적으로 심장 자극기로 사용할 수 있습니다.

기술 요약: 그래서 이 기기를 쥐에게도 테스트해 보셨습니까?

박사. 에피모프: 우리는 이식이 허용되지 않는 이식된 인간 심장의 몇 가지 설정에서 이 장치를 테스트했으며 워싱턴 DC에 있는 지역 장기 조달 조직에서 받았습니다. 궁극적으로 인간을 대상으로 테스트할 계획입니다. 그러나 우리는 돼지에서 테스트를 했습니다. 이 카테터는 인간의 심장 크기에 맞게 설계되었기 때문에 작은 동물에서 테스트할 수 없습니다.

기술 요약: 이것이 언제 상용화될지에 대한 일반적인 아이디어가 있습니까?

박사. 에피모프: 3년에서 5년은 좋은 숫자라고 자신있게 말할 수 있습니다. 임상 스타트업의 경우 벤처 자본을 확보해야 합니다. 이것이 우리의 다음 단계입니다.

기술 요약: 이식형 제세동기에 대한 이전 작업은 어떻습니까?

박사. 에피모프: 제 목표는 제세동에 필요한 에너지 양을 줄이는 것이었습니다. 현재 심실성 부정맥이나 돌연심장사를 위해 사람의 가슴에 이식하는 제세동기가 생명을 구합니다. 그러나 때때로 환자가 의식이 있고 극도로 고통스러울 때 부적절하게 작동할 수 있습니다. 그것은 가슴에 전달되는 엄청난 양의 에너지입니다. 쇼크에 의한 통증 때문에 심방세동 환자에게는 사용할 수 없습니다. 심방세동 환자는 이미 의식이 없는 상태로 심실세동으로 인한 돌연심장사 상태의 환자와 달리 삶과 죽음의 문제이기 때문에 고통의 문제가 아닙니다.

우리의 작업은 제세동 전략을 통증 없이 변경하는 방법에 관한 것이었습니다. 그것이 내가 몇 년 동안 한 일입니다. 우리는 현재 이식형 제세동기 기술로 임상 시험을 진행하고 있습니다.

기술 요약: 당신의 일이 심장병 치료에 큰 변화를 줄 것 같습니다.

박사. 에피모프: 그렇게 생각해요. John Rogers가 재료 과학자로서 수년 동안 연구해온 것 - 그는 생물학적으로 순응하는 재료인 부드럽고 신축성 있고 유연하며 염증을 일으키지 않는 전자 제품의 전체 제조 전통을 개발하는 데 자신을 맡겼습니다. 이 모든 작업은 현재 많은 의학 분야에서 결실을 맺고 있습니다. 나는 특히 심장학에 관심이 있지만 신경학, 뇌-컴퓨터 인터페이스, 신경 손상 환자를 위한 근육 조절 등의 작업도 진행 중입니다. 따라서 지금은 생체전자공학 분야에서 활동하기에 정말 좋은 시기입니다. 앞으로 10~15년은 정말 환상적일 것 같아요!

예를 들어, 저는 NIH에서 설립한 커뮤니티의 일원입니다. 본질적으로 다른 질병을 통제하기 위해 말초 기관을 통제하는 말초 신경을 통제하는 방법에 초점을 맞춘 SPARC라는 프로그램. 교감 및 부교감 신경계는 심장, 폐, 위, 장 등 신체의 모든 기관을 제어합니다. 신경을 제어할 수 있다면 많은 질병의 부담을 줄이거나 질병을 없앨 수 있습니다. 우리는 현재 교감 및 부교감 신경을 자극하고 이를 기록할 수 있는 인터페이스를 구축하기 위해 노력하고 있습니다. 이것은 또한 의학의 많은 영역에서 변혁이 될 것입니다.

기술 요약: 제게는 공상과학 소설처럼 들립니다.

박사. 에피모프: 10년 전에는 이전 공상 과학 소설. 사실, 저는 지금 잊혀진 "사이보그"라는 단어를 제목에 사용하자고 제안한 두 명의 공동 작업자와 함께 다른 보조금을 지금 쓰고 있습니다.

이 인터뷰의 편집된 버전은 Tech Briefs의 2020년 11월호에 실렸습니다.