심장 치료 혁신: 부정맥 치료를 위한 소프트 전자공학

워싱턴 DC 조지 워싱턴 대학교의 이고르 에피모프(Igor Efimov) 교수팀은 시카고 일리노이주 노스웨스턴 대학교의 존 로저스(John Rogers) 교수 연구실과 협력하여, 최소 침습 수술에서 환자 결과를 개선하기 위해 유연한 전자공학을 사용하는 새로운 종류의 의료 기기를 개척하고 있습니다.

테크 브리프: 이 프로젝트는 어떻게 시작되었나요?

이고르 에피모프 박사: 저는 꽤 오랫동안 심장 연구를 해왔습니다. 독립 연구원으로서 클리블랜드 클리닉에서 경력을 시작했는데, 그곳은 혁신의 오랜 문화를 가지고 있으며 많은 주요 돌파구를 이루었습니다. 저는 그곳의 여러 뛰어난 심장 전문의들과 함께 일했고, 그 경험으로 진정한 변화를 겪었습니다.

제 연구는 부정맥과 심장 박동 장애 치료에 집중되었습니다. 두 번째 중요한 경험은 약 7~8년 전이었습니다. 의료 기기 구현을 위한 새로운 플랫폼을 찾던 중 생체 적합성 소재에서 진전을 이루고 있던 존 로저스의 연구를 접했습니다. 그는 이미 일부 생물학자들과 협력했는데, 주로 신경과학 분야였습니다. 저는 그를 심장학 협력에 초대했고, 그 이후로 많은 작업을 함께 해왔습니다. 먼저 장기 적합형 전자공학 플랫폼을 만들었습니다. 그런 다음 신호 처리, 증폭, 다중화 등을 가능하게 하는 자체 마이크로 회로를 갖춘 '스마트' 전자공학 플랫폼을 만들었습니다. 다음 프로젝트는 배터리 없는 이식형 심박동기였습니다. 지금은 체내에서 흡수되어 더 이상 필요 없을 때 사라지는 바디 리소버블(body-resorbable) 심박동기를 만드는 작업을 하고 있습니다.

테크 브리프: 배터리 없는 장치는 어떻게 전력을 공급받나요?

에피모프 박사: 심박동기에는 외부 안테나와 매칭되는 안테나가 있습니다. 옷에 내장되거나 착용형 패치에 외부 회로를 두어 유도 전력 전송을 통해 에너지와 프로그래밍을 이식된 전자장치로 전송할 수 있습니다.

2013년경 우리는 쥐에서 작동하는 심박동기를 설계했습니다. 불행히도 너무 딱딱한 은 전극 와이어를 사용하여 심장 근육 손상을 초래했고, 쥐 사망률이 매우 높았습니다. 그게 존이 설계한 소프트 적합형 전자공학을 사용해야겠다는 아이디어를 주었습니다. 그게 제 초기 자극이었습니다. 그에게 제 문제를 해결할 수 있는지 물었고, 그가 해결했습니다.

최근 논문은 경피적 경정맥 카테터용 장치 제작 방법에 대해 다룹니다. 이식되는 것이 아니라 심장 내부에 삽입되어 부정맥 부위로.navigate됩니다. 3종류의 센서와 액추에이터로 5가지 기능, 2가지 기능을 수행할 수 있습니다. 이러한 다기능, 다중 물리(multiphysics) 기능으로 절제 치료 속도를 획기적으로 개선할 수 있습니다. 절제는 심장 박동 장애 치료에 사용되는 최첨단 기술입니다. 심방 세동(AF) 또는 심실 빈맥 환자의 85%는 약물로 치료할 수 없어 이 질병과 함께 살아야 합니다. 불행히도 이는 뇌졸중 비율과 사망률의 급격한 증가로 이어집니다. 미국만 해도 약 500만 명의 AF 환자가 있습니다. 전 세계적으로 약 1500만 명이며, 2050년까지 수명 연장으로 5000만 명이 심방 세동을 겪을 것으로 예상됩니다.

심장 절제는 부정맥을 유발하는 심장 조직을 파괴하여 심방 세동을 교정하는 시술입니다. 현재 치료는 여러 하드웨어를 삽입하여 수행합니다. 하나는 심장에서 전기 신호를 기록하여 부정맥을 매핑하는 전기신호도(electrograms)를 생성하는 데 사용됩니다. 이 전기신호도는 부정맥 소스를 이해하려는 시도에 사용됩니다. 다른 하드웨어를 삽입하여 절제를 수행합니다. 절제는 본질적으로 RF 전류로 조직을 태워 조직 온도를 약 55°C ~ 60°C(131°F ~ 140°F)로 높입니다. 결과적으로 부정맥을 담당하는 세포를 죽이고 희망적으로 AF를 제거합니다. 비동기적으로 위치 파악용과 절제용을 별도로 수행하므로 제대로 하려면 많은 기술적 어려움이 있습니다. X-레이가 필요합니다. 전극을 삽입할 때 당연히 직접 시야가 없기 때문입니다. 심장 내 하드웨어를 보고 제대로 탐색하는 유일한 방법은 X-레이 스냅샷을 사용하는 것입니다. 이는 환자와 의사에게 완전히 안전하지 않은 방사선 피폭을 초래합니다. 우리 기술은 매핑과 절제를 하나의 장치로 결합하여 방사선을 줄일 수 있습니다. 장치를 여러 번 재배치할 필요가 없습니다. 우리 장치에는 심장 넓은 영역을 커버하는 수많은 센서와 액추에이터가 있기 때문입니다. 따라서 반복적인 카테터 재배치 없이 매핑과 절제가 가능하여 방사선 피폭을 줄일 수 있습니다.

일반적인 매핑 장치에는 없는 추가 양식도 있습니다: 온도 센서 매트릭스와 힘 센서 매트릭스. 이 두 매트릭스는 실시간 판독값을 제공합니다. 온도 센서는 절제 중 온도를 모니터링할 수 있게 하는데, 이는 올바른 온도 범위에 있지 않으면 절제가 실패하기 때문에 중요합니다. 소멸 목표를 100°C 초과하면 위험합니다. 간질액과 혈액이 끓어 기포가 생기고 이는 경색과 뇌졸중 같은 문제를 일으킬 수 있습니다. 따라서 매우 정밀해야 합니다. 힘 측정 매트릭스는 절제 매트릭스와 심장 사이의 좋은 물리적 접촉을 확립할 수 있게 합니다. 이는 절제에 매우 중요합니다. 좋은 접촉이 없으면 액추에이터에 얼마나 많은 에너지를 가해도 심장 자체에 적절한 에너지가 전달되지 않기 때문입니다.

현재 절제는 단일 1점 카테터, 말 그대로 심장 내부에 삽입하는 와이어로 수행되며, 이를 여기저기 찔러가며 스팟별로 수행합니다. 우리 경우는 심장 넓은 영역을 커버하는 수백 개의 센서를 가집니다. 이 매우 중요한 접촉은 힘 측정을 통해서만 확립될 수 있습니다. 불행히도 X-레이로 심장을 볼 수 없습니다. 부드러운 조직이고 심장 근육과의 접촉이 매우 작기 때문입니다. X-레이로 카테터는 볼 수 있지만 심장 자체는 볼 수 없습니다.

우리 장치는 대체 유형의 절제도 가능하게 합니다. 현재는 주로 RF로 수행되며 열적 절제(thermal ablation)라고 합니다. RF 전류가 온도를 높이기 때문입니다. 대안으로 냉동 절제(cryoablation)가 있습니다. 심장을 얼리는 널리 사용되지만 덜 일반적인 시술입니다.

현재 떠오르는 또 다른 방법은 비가역적 일렉트로포레이션(irreversible electroporation)입니다. 조직을 태우는 대신 높은 전류로 세포막에 구멍을 뚫어 세포를 죽입니다. 열적 방법인 RF가 조직을 '요리'하여 죽이는 데 몇 분이 걸리는 반면, 마이크로초 단위로 수행됩니다. 비가역적 일렉트로포레이션은 이제 비열적 기술로 떠오르고 있지만 아직 심장 응용 분야에 완전히 개발되지는 않았습니다. 그러나 우리 장치는 이를 수행할 수 있습니다.

요약하자면: 우리 장치는 여러 위치에서 절제할 수 있습니다. 카테터를 이리저리 움직일 필요 없습니다. 같은 장치에서 파생된 부정맥 맵을 기반으로 필요한 전체 영역을 절제할 수 있습니다. 이는 독특합니다. 매핑과 절제를 같은 장치에 가진 것은 전에 없던 일입니다. 게다가 안전을 위한 열 및 힘 감지 기능까지 있습니다.

테크 브리프: 한 가지 질문: 일렉트로포레이션에서 전류가 세포를 통과하나요?

에피모프 박사: 네, 조직이나 세포에 충분한 에너지를 가해 자극하면 전류가 지질 막을 통과하여 막이 파괴됩니다. 지질 막은 본질적으로 비전도성입니다. 본질적으로 지방으로 구성되어 전기적으로 전도되지 않지만, 충분한 에너지를 가하면 막에 구멍을 뚫어 세포를 죽입니다.

가역적 일렉트로포레이션은 약간 더 적은 에너지를 사용하는 또 다른 응용입니다. 거대분자 전달에 사용됩니다. 유전자 치료를 예로 들면, 세포에 구멍을 뚫어야 하지만 약한 구멍입니다. 그 구멍은 이후 스스로 수리됩니다. 이를 통해 온전한 세포막으로는 통과할 수 없는 RNA 조각, 단백질, 기타 큰 분자들을 세포 내부에 넣을 수 있습니다. 우리 장치도 이를 위해 사용될 계획입니다. 심장 특정 부위에 유전자 치료가 필요한 경우, 일렉트로포레이션 전류를 전달하고 적절한 치료를 제공할 수 있습니다.

테크 브리프: RF 전력을 장치에 어떻게 전달하고 가열을 위한 충분한 RF 전력을 어떻게 얻나요?

에피모프 박사: 좋은 질문입니다. 이 장치가 진정한 의미에서 이식형이 될 수 없는 이유를 보여줍니다. 우리 장치는 외부 전자장치와 케이블로 연결된 카테터이며 풍선 같은 구조에 장착됩니다. 절개를 하고 정맥(보통 사타구니 부위)을 통해 심장으로 들어가지만 케이블로 외부 전자장치와 연결됩니다. 심장에 도달하면 전개하고, 덮개를 벗기면 형태를 갖춥니다. 또는 풍선 내부에 생리식염수를 주입하여 적절한 형태를 만듭니다. 조직과 접촉하지만 하드와이어드(hard-wired)입니다. 이렇게 충분한 에너지를 전달합니다. 현재 무선이나 배터리에서 그런 것을 전달할 만큼 큰 에너지원을 알지 못합니다.

테크 브리프: 일렉트로포레이션도 마찬가지인가요?

에피모프 박사: 네, 일렉트로포레이션은 특히 더 높은 에너지가 필요합니다. 하지만 이 시술에는 이식형이 필요하지 않습니다. 미국에서만 매년 수십만 명의 환자가 부정맥 적응증으로 절제술을 받습니다. 약물이 보통 효과가 없으므로 절제하는 것만이 대처 방법입니다. 절제 시 전극을 삽입하고 환자는 테이블에 누워 가벼운 진정 상태에서 시술을 받고, 하드웨어를 제거한 후 집으로 돌아갑니다.

하지만 우리는 또 다른 시술도 연구 중입니다. 사실 저는 더 낮은 에너지 치료로 심방 또는 심실 세동을 치료하는 이식형 장치를 개발했습니다. 이 장치로는 절제하지 않습니다. 부정맥을 종결시키기 위해 저에너지 펄스 시퀀스를 적용합니다. 그러나 이식형 장치는 환자 몸 안에 오랫동안 남기 때문에 훨씬 더 엄격한 요구사항이 있습니다.

테크 브리프: 카테터 끝 풍선에 수많은 센서와 액추에이터가 있던데, 어떻게 상호 연결하나요?

에피모프 박사: 유연성을 허용하는 서펜타인(serpentine) 와이어로 직접 연결할 수 있지만, 그러면 병목이 생깁니다. 그래서 각 센서와 액추에이터에 자체 회로를 장착합니다. 센서라면 증폭, 필터링, 다중화 회로를 둡니다. 액추에이터라면 다중화를 합니다. 고처리량 시스템이라면 다중화가 필수적입니다. 미래에는 수백에서 수천 개의 센서와 액추에이터가 필요할 것으로 예상되므로 다중화가 확실히 필요할 것입니다.

테크 브리프: 어떤 종류의 액추에이터를 사용하나요?

에피모프 박사: 이 응용 분야에서는 전기만 사용합니다. RF 절제나 비가역적 일렉트로포레이션 모두 전기입니다. 하지만 이전에 우리는 광학 분광학용 광 액추에이터를 가질 수 있다고 쓴 적이 있습니다. 그런 장치의 액추에이터는 특정 파장의 빛을 방출하는 LED와 포토다이오드를 가집니다. LED가 심장 내 분자의 형광을 자극하고 포토다이오드가 형광을 수집합니다. 이는 심장 내 다양한 세포 과정(예: 대사)에 대한 판독값을 제공합니다. 따라서 다양한 유형의 센서와 액추에이터가 있습니다.

테크 브리프: 실험동물에서 테스트했나요?

에피모프 박사: 이전 프로젝트에서 소형 배터리 없는 심박동기를 개발했을 때, 쥐에 이식하여 한 달 정도 유지하며 장기 심장 자극기로 사용할 수 있음을 보였습니다.

테크 브리프: 이 장치도 쥐에서 테스트했나요?

에피모프 박사: 이 장치는 몇 가지 설정에서 테스트했습니다. 이식에 부적합한 설명된 인간 심장(organ procurement organization에서 수령)에서 테스트했습니다. 궁극적으로 인간 임상시험을 계획하고 있습니다. 하지만 돼지에서도 테스트했습니다. 이 카테터는 인간 심장 크기로 설계되어 소형 동물에서는 테스트할 수 없습니다.

테크 브리프: 상용화 시기를 대략적으로 알 수 있나요?

에피모프 박사: 안전하게 3~5년 정도라고 봅니다. 임상 스타트업을 위해 벤처 캐피털을 확보하는 것이 다음 단계입니다.

테크 브리프: 이전에 연구하신 이식형 제세동기는 어떻게 되나요?

에피모프 박사: 제 목표는 제세동에 필요한 에너지 양을 줄이는 것이었습니다. 현재 가슴에 이식된 제세동기는 심실 부정맥이나 돌연사로 생명을 구합니다. 하지만 환자가 의식 있을 때 부적절하게 작동하기도 하는데, 이는 극도로 고통스럽습니다. 가슴에 엄청난 에너지가 전달되기 때문입니다. 충격 유발 통증 때문에 심방 세동 환자에게는 사용할 수 없습니다. 심방 세동 환자는 의식 있는 반면, 심실 세동으로 인한 돌연사 상태 환자는 이미 무의식 상태이므로 생사 문제라 통증이 문제가 아닙니다.

우리 연구는 제세동 전략을 어떻게 바꿔 통증 없이 만들 것인가에 관한 것이었습니다. 몇 년간 이 작업을 했습니다. 현재 이식형 제세동기 기술로 임상시험을 진행 중입니다.

테크 브리프: 선생님 연구가 심장 질환 치료에 큰 변화를 가져올 것 같습니다.

에피모프 박사: 그렇게 생각합니다. 존 로저스가 재료 과학자로서 수년간 연구해온 것 — 그는 생물학적으로 적합한 전자공학 제조 전통 전체를 개발하는 것을 자임했습니다: 부드럽고, 신축성 있고, 순응적이며, 염증을 일으키지 않는 소재. 이 모든 작업이 이제 의학의 많은 분야에서 결실을 맺고 있습니다. 저는 특히 심장학에 관심이 있지만, 신경학, 뇌-컴퓨터 인터페이스, 신경 손상 환자의 근육 제어 등에서도 연구가 진행 중입니다. 그래서 바이오일렉트로닉스 분야에 있는 것은 정말 좋은 시기입니다. 향후 10~15년이 엄청나게 환상적일 것입니다!

예를 들어 저는 NIH가 설립한 커뮤니티인 SPARC 프로그램의 일원입니다. 이 프로그램은 말초 장기를 제어하는 말초 신경을 어떻게 제어하여 본질적으로 다양한 질병을 제어할 수 있는지에 초점을 맞춥니다. 교감신경과 부교감신경계는 몸의 모든 장기(심장, 폐, 위, 장 등)를 제어합니다. 신경을 제어할 수 있다면 많은 질병의 부담을 줄이거나 심지어 질병을 제거할 수 있습니다. 우리는 이제 교감신경과 부교감신경을 자극하고 기록할 수 있는 인터페이스를 구축하고 있습니다. 이는 의학의 많은 분야에서 변혁적일 것입니다.

테크 브리프: 공상과학 소설 같네요.

에피모프 박사: 10년 전에는 공상과학 소설이 였습니다. 사실 저는 지금 몇 명의 협력자들과 또 다른 보조금을 쓰고 있는데, 제목에 이제 잊힌 단어 '사이보그(cyborg)'를 제안했습니다. 사이버네틱하고 유기적이기 때문입니다.

이 인터뷰의 편집된 버전은 2020년 11월호 테크 브리프에 실렸습니다.