POSTECH “뇌동맥류, 새로운 방법으로 치료한다”

POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 연구팀이 혈관 내에서 동맥류를 새로운 방법으로 채워서 시한폭탄을 해체할 수 있는 치료법을 내놓았다.

POSTECH 기계공학과 김준원 교수와 임종경 박사, 화학공학과 차형준 교수와 통합과정 최근호씨는 코일 색전술의 단점을 극복하기 위해, 구조적으로 안정해 인체에서 분해되지 않고 장기간 유지될 수 있는 생체친화적이고 부작용이 없는 새로운 색전술용 소재를 개발했다. 

해당 물질을 혈관 내 환경에서 미세섬유 형태로 안정적인 형성 및 제어가 가능한 신개념 뇌동맥류 치료법(치료기기)을 제시했다. 

이 연구성과는 재료과학 분야의 국제학술지인 ‘어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)’ 8일 자 뒤표지(Back cover)에 게재됐다.

최근 건강검진의 보편화로 뇌동맥류의 조기 발견이 증가하고 있으며 현재의 치료 방법은 해당 부위가 터지기 전에 백금 코일로 동맥류를 메워서 내부 혈류의 방향과 압력을 낮추는 코일 색전술이다. 

하지만 코일 색전술은 수술 한 번에 동맥류 크기에 따라 다수의 백금 코일(개당 약 60만 원)이 사용돼 경제적인 부담이 크다. 

뿐만 아니라 미세 스프링 구조의 코일 특성 때문에 수술할 때 동맥류가 터지거나 동맥류 내부가 완전하게 메워지지 않는 문제가 생길 수 있다. 

수술 후에는 불완전한 채움도의 영향으로 코일의 재압축이 발생해 해당 코일이 환부에서 이탈할 수 있는 다양한 문제가 여전히 존재한다.

온도, pH, 빛 등 다양한 자극에 반응하는 하이드로젤은 부드러운 기계적 특성을 갖기 때문에 동맥류를 높은 비율로 채울 수 있는 색전 물질로 큰 주목을 받아왔다. 

그 중에서 광(光)가교성 하이드로젤은 시공간적 제어가 쉬워 색전술에 가장 적합하다고 여겨지지만 실제 활용에는 제한적이다. 

게다가 개발되고 있는 동맥류 색전술용 소재들은 생리활성 기능이 없고 생체친화적이지 않은 합성물질 기반의 고농도 하이드로젤을 사용하기 때문에 체내에서 독성이 있거나 심한 팽윤이 발생해 동맥류 파열 가능성을 높이는 문제가 있어 실제 상용화가 된 것은 지금까지는 없다. 

기존의 수술 방법으로는 구불구불한 기하학적 구조와 높은 흡광도를 갖는 혈관 내 환경에서 빛을 이용해 하이드로젤을 생산 및 제어하는 것이 불가능해 임상에는 적용할 수 없었다.

차형준 교수 연구팀은 새로운 동맥류 색전술용 소재로서 이중가교(double crosslinking)가 가능한 해조류 유래의 알지네이트(alginate) 기반의 하이드로젤을 처음으로 제안했다. 

새로운 색전 소재는 인체에 무해한 가시광선 조사에 의한 빠른 공유 가교와 혈액에 존재하는 칼슘이온을 사용한 이온 가교의 시너지 효과를 활용하는 자연 유래 생체물질로서 매우 우수한 생체적합성(biocompatability)을 지닌다. 

이를 통해 안전하고 효과적으로 동맥류를 채우고 파열을 방지할 수 있다. 조영물질 탑지가 가능해 방사선 불투과성 조영 효과를 지녀 CT나 MRI를 통해 적용된 색전 소재를 장기간 지속해서 확인할 수 있는 장점도 있다.

김준원 교수 연구팀은 광섬유가 통합된 미세유체 장치를 개발했다. 이 장치는 구불구불한 기하학적 구조와 높은 흡광도를 포함하는 극한의 혈관 내 환경에서 광경화성 하이드로젤을 미세섬유의 형태로 안정적으로 생산, 제어할 수 있는 신개념 수술기기이다.

미세유체 장치에서 생산·제어된 이중가교 알지네이트 하이드로젤 미세섬유는 동맥류를 안전하고 균일하게 채울 수 있다. 

이때 미세섬유는 서로 얽혀 덩어리를 형성해 동맥류로 들어가는 유체의 흐름을 차단하고, 수술 후 맥동 환경에서도 해리되는 것 없이 구조적인 형태와 기계적 강도를 유지해 동맥류 내부 압력의 재상승 혹은 파열을 최소화할 수 있다.

차형준 교수는 “이번 연구는 자연 유래 생체물질을 기반으로 안정적으로 인체에서 장기간 유지될 수 있는 생체친화적이고 부작용이 없을 것으로 기대되는 새로운 색전술용 소재를 세계 최초로 개발한 것”이라며 연구 의의를 설명했다.

김준원 교수는 “이번 연구는 광가교성 하이드로젤 소재를 혈관 내에서 미세섬유화해 동맥류 치료에 활용할 수 있는 방법을 세계 최초로 개발했다”고 의미를 밝혔다.

이어 “우리가 개발한 방법은 뇌동맥류뿐만 아니라 색전이 필요한 많은 혈관질환에 다양한 광가교성 하이드로젤 소재를 효과적으로 적용할 수 있을 것으로 기대된다”고 전했다.

한편, 연구는 보건복지부 및 한국보건산업진흥원에서 지원하는 연구중심병원 육성 R&D 사업과 과학기술정보통신부와 한국연구재단에서 지원하는 중견연구 사업, 나노·미래소재원천기술개발사업의 지원으로 수행됐다.