방광건강, 과학적으로 관리하는 길 열리다

고려대 황석원 교수팀, 방광 실시간 분석·제어 생체 삽입형 바이오 전자 시스템 개발

Science Advances 저널 논문 게재

고려대(총장 정진택)는 황석원 KU-KIST 융합대학원 교수팀이 삼성서울병원 및 Penn state 대학 연구팀과 공동 연구를 통해 실시간으로 방광 활동을 모니터링하고 배뇨 질환을 치료 할 수 있는 시스템을 개발했다고 23일 밝혔다.

시스템은 부드럽고 신축성이 높은 생체 삽입형 전자 소자를 (Implantable electronic device) 방광에 결합하고 (온도변화, 근육 신호, 수축/팽창) 제어 시스템(배뇨 유도)을 이용하는 방식이다.

이번 연구결과는 세계적 권위의 과학저널 '사이언스 어드밴시스 (Science Advances)' 11월 11일자 온라인 판에 게재됐다.

연구팀은 인체에 무해하고 유연/신축성이 높은 그물망 (Web) 구조 플랫폼에 다양한 센서와 광유전학 시스템 (optogenetics)을 구성해 주기적으로 부피가 변화하는 방광에 안정적으로 결합했다. 이를 소변 배출이 원활하지 못한 저활동성 방광(Underactive bladder) 배뇨 질환 모델에 적용해 실시간 방광 활동(온도변화, 근육 신호, 수축/팽창) 모니터링을 통해 정확한 소변 배출 시점을 분석하고 광유전학 자극을 통해 원활한 배뇨를 유도할 수 있는 기술이다.

기존의 저활동성 방광 배뇨 기능장애를 치료하는 방법으로는 카테터(도뇨관)를 요도에 직접 삽입해 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 설계해 주기적으로 팽창과 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 바이러스인 Adeno-associated virus (AAV)를 이용해 연구의 임상 적용 가능성을 보여줬다.

황석원 교수는 "이번 연구결과는 유연·신축 전자 시스템을 바탕으로 하는 공학 기술과 의학적 치료·연구의 융합을 통해 그동안 효과적인 치료법이 부족했던 배뇨질환 치료에 유용한 기술이 될 것"이라며 "방광뿐만 아니라 다양한 장기의 만성 질환을 진단 및 치료할 수 있을 것으로 기대된다"라고 밝혔다.