2024-08-12
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심장박동기 등 의료기기나 소재를 체내에 이식하면 대개 체내에서 이물질 반응이 일어나 기기 표면에 단백질이 흡착되고 대식세포, 호중구 등 면역세포가 모여들게 된다. 재료의 표면에.
콜라겐 침착을 달성하기 위한 섬유성 세포의 축적은 쉽게 섬유증을 형성할 수 있으며, 이로 인해 장치가 섬유성 조직으로 과도하게 둘러싸여 물리적 장벽을 형성하게 되어 재료가 조직과 정보를 교환하거나 신호 인자를 방출하는 능력을 상실하게 됩니다.
장치의 표면을 화학적으로 변형하거나 항염증제를 첨가하는 방법은 섬유화 형성을 어느 정도 줄일 수 있지만 장기적으로 이러한 현상을 완전히 억제할 수는 없습니다.
최근 미국 MIT(매사추세츠 공과대학) 조쉬안허(Zhao Xuanhe) 교수와 우징징(Wu Jingjing) 박사가 의료용 임플란트 장치를 주변 조직과 접착시켜 장치 이식 후 섬유화를 예방할 수 있는 비섬유성 접착 소재를 최초로 발견했다. "투명 망토"는 장치의 마모를 방지하고 면역 체계 공격을 차단하며 해당 장비의 수명을 연장합니다.
그림丨접착코팅으로 임플란트-조직 경계면 섬유피막 형성 방지 (출처: Nature)
이번 연구는 하이드로겔 접착제를 이용해 섬유화 형성을 억제하고, 장기간의 작업을 위해 체내에 이식하는 의료기기의 임상적용을 위한 솔루션을 제공할 것으로 기대된다. 예를 들어, 장기 약물 전달, 세포 전달, 체내 센서 전달 등 의료 장비를 보호하여 장기적인 치료 또는 진단 기능을 제공합니다.
미국 제3아카데미와 하버드 대학의 학자인 데이비드 무니(David Mooney) 교수는 이번 연구에 대해 “의료기기와 조직 사이의 강한 접착력은 섬유성 조직의 형성을 피할 수 있다. 이는 중요한 발견이다. 의료기기.”
최근 네이처(Nature)[1]에 "Adhesive Anti-Fibrotic Interfaces on Diversal Organs"라는 제목으로 관련 논문이 게재되었습니다.
제1저자는 MIT 출신의 Jingjing Wu 박사이고, Zhao Xuanhe 교수와 현우 육 박사가 공동 교신저자로 활동하고 있습니다.
그림丨관련 논문 (출처: 네이처)
특수 환경에서 연조직 및 장기 결함을 복구하기 위한 접착 재료의 사용에 대한 이전 연구에서 연구자들은 접착 재료가 결함 있는 조직을 신속하게 복구하고 상처 치유를 촉진할 수 있음을 발견했습니다[2-3].
본 연구에서는 비특이성 단백질(알부민, 피브리노겐 등)의 체내 흡착을 감소시켜 다수의 염증세포 침윤을 감소시키기 위해 비섬유성 접착제를 도입하였다.
연구진은 면역 단백질과 유전체학을 연구한 결과, 3일 이내에 소수의 염증 조절 인자가 증가했지만, 7일 후에는 모든 염증 인자가 크게 감소한 것을 발견했습니다.
Wu Jingjing은 "이는 주로 비섬유성 접착제 근처에 소수의 호중구가 축적되었기 때문이다. nos 2 유전자의 발현이 1~3일 이내에 크게 증가하여 호중구 매개 염증 반응을 활성화하고 염증 반응을 증가시켰다"고 설명했습니다. G-CSF와 IL-12p70이 다량으로 분비됩니다.”
사진丨Wu Jingjing (출처: Wu Jingjing)
신체 자체 조절로 인해 염증 요인은 7일 이내에 빠르게 가라앉아 후속 섬유화 과정을 방해할 수 있습니다. 코팅으로서 비섬유성 접착제는 의료 기기를 체내에 이식할 때 더 이상 섬유증을 일으키지 않아 체내에서 장기간 존재하고 작동할 수 있습니다.
연구팀은 연구 초기 단계에서 접착제를 조직과 장기에 이식해 섬유화를 억제할 수 있다는 사실을 관찰했지만, 당시에는 그 이면에 숨어 있는 면역 메커니즘에 대한 심층적인 이해가 없었다. 이런 비정상적인 현상.
그림丨정량적 중합효소연쇄반응 및 접착성 임플란트 계면의 Luminex 분석 (출처: Nature)
이 현상의 이면에 있는 면역학적 메커니즘을 탐구하기 위해 팀과 동료들은 면역형광법, 정량적 중합효소 연쇄반응, 전사체 서열 분석 기술 및 기타 기술을 포함한 일련의 생물학적 특성화 방법을 통해 이 현상의 이면에 있는 면역학적 메커니즘을 분석했습니다.
연구진은 또한 여러 대조군을 비교한 결과, 그룹 물질과 조직이 밀접하게 부착되면 염증 세포의 기억력이 감소하는 현상을 발견했습니다. 동일한 물질에 접착성이 없으면 염증 세포가 물질과 조직 사이에 여전히 침투하여 염증 반응을 일으키고 섬유증을 형성할 수 있습니다.
우징징 교수는 "호중구 등 면역세포가 이식된 부위에 먼저 침투하기 시작했지만 면역 공격이 빠르게 억제돼 섬유화 조직 형성 과정이 차단되는 것을 발견했다"며 "3개월 이내에 섬유증이 이식되지 않았다"고 말했다. 여전히 전기 신호의 장기간 전송을 유지합니다.”
비섬유성 접착제는 키토산이나 폴리비닐알코올과 같은 고분자로 구성된 고분자로 공급원이 넓고 가격이 저렴하며 유연성이 뛰어나다는 장점이 있으며 인체 조직의 기계적 특성과 잘 맞습니다.
본 연구는 오랫동안 인류를 괴롭혀온 체내 이식 물질로 인한 이물 반응으로 인한 섬유화 문제를 해결해 의료기기나 소재가 체내에서 오랫동안 작용할 수 있게 해준다.
현재 연구팀은 생쥐, 쥐, 인간 생쥐, 돼지 등의 동물모델을 대상으로 섬유화 억제 성능을 검증하는 실험을 진행했다. 복벽, 위, 결장, 심장 및 폐 등과 같은 비섬유성 접착제는 광범위한 적용 가능성을 보여줍니다.
이 발견을 고려하여 연구팀은 이후 임시 심박조율기를 개발했습니다[4]. Wu Jingjing은 심박조율기에 도포하고 동물(쥐)에 이식한 접착제가 체내에서 계속 작용할 수 있음을 확인했습니다.
또한 심장을 전기적으로 자극해 안정적인 전기생리학적 신호 모니터링 및 조절이 가능해 부정맥/심근경색 등 임상적 문제 치료에도 활용될 것으로 기대된다.
그림丨 쥐 모델의 지속적인 심장 모니터링 및 조율 (출처: Science Translational Medicine)
Nature는 이 연구에 대해 논평했습니다[5]. 이 연구의 주요 특징은 접착 코팅이 연질 폴리머 임플란트 주변의 흉터 조직 형성을 줄일 수 있다는 것입니다. 이는 저자가 생체 재료를 이식한 여러 동물 모델에서 입증한 효과입니다. 다양한 기관에 또는 그 위에.
주변 흉터 조직의 형성은 기능성에 영향을 미치는 이식된 생체재료의 일반적인 문제이며, 연구자들이 입증한 것은 이 중요한 문제를 해결하는 데 있어서 환영할 만한 진전입니다.
Wu Jingjing은 "우리는 가능한 한 빨리 기술 혁신을 실현하고 인간 실험에서의 임상적 사용을 촉진하기를 희망합니다. 그러나 이를 위해서는 엄격한 기술 및 윤리적 승인이 필요하며 향후 2~3년 내에 완료될 것으로 예상됩니다."라고 말했습니다.
참고자료:
1. Wu, J., Deng, J., Theocharidis, G. et al. 다양한 장기에 접착성 항섬유화 인터페이스. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07426-9
2. Wu, J. et al. 위장관 결손의 봉합사 없는 수리를 위한 기성품 생체 접착 패치. Science Translational Medicine 14, abh2857(2022). https://doi.org/10.1126/scitranslmed.abh2857
3. Yuk, H., Wu, J., Sarrafian, TL 등. 바나클 접착제에서 영감을 얻은 페이스트를 사용한 빠르고 응고 독립적인 지혈 봉합. Nature Biomedical Medicine 5, 1131–1142 (2021). https://doi.org/10.1038/s41551-021-00769-y
4. Deng, Y., Wu, J. et al. 설치류 및 돼지 모델에서 비외상성 심장 모니터링 및 자극을 위한 생체 접착 페이싱 리드. Science Translational Medicine 16, eado9003(2024). https://doi.org/10.1126/scitranslmed.ado9003
5.https://www.nature.com/articles/d41586-024-02348-y
운영/조판: He Chenlong
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