심장은 전기신호¹⁾에 따라 심근육의 수축과 이완을 반복해 온몸의 혈관으로 혈액을 펌프질한다. 만약 심근육 혈관이 혈전으로 막혀 심근경색이 생기면, 그 부분의 심근세포들이 산소와 영양분을 공급 받지 못해 괴사한다. 그 결과 해당 부위의 전기신호 전달이 막혀 심부전이 발생하게 된다.

건강보험심사평가원에 따르면, 국내 심부전 환자는 ’11년 11만명, ’13년 11만 5천명, ’15년 12만명으로 가파른 증가추세를 보이고 있다. 심부전증은 진단환자의 30~40%가 진단 후 1년 내 사망하고, 60~70%는 5년 내 증상악화나 급성 발작으로 사망할 만큼 치사율이 높아, 획기적인 치료법이 시급한 실정이다.

미래창조과학부(장관 최양희) 산하 기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 나노입자 연구단(단장 현택환, 서울대학교 화학생물공학부 교수)의 김대형 연구위원(서울대학교 화학생물공학부 교수) 연구진은, 은 나노선²⁾과 고무를 소재로 한 복합체를 이용, 심부전을 획기적으로 치료할 수 있는 ‘소프트 심장 자극기’를 개발했다. 자극기는 심장 외부를 감싸는 그물망 형태의 전극³⁾으로, 심장 전체에 전기자극을 전달해 수축을 돕는다. 또 심장이 이완할 때는 부드럽게 늘어나 이완을 방해하지 않는 것이 특징이다.

기존의 심장 자극기는 전극이 닿는 일부분만 자극할 수 있어, 재동기화⁴⁾ 성공 확률이 낮았다. 따라서 일부 환자만이 효과를 볼 수 있으며, 오히려 심장 박동을 불규칙하게 해 심장마비나 부정맥 등 부작용을 유발하기도 한다.

연구진이 개발한 자극기는 심장 전체에 전기자극을 전달해 이러한 부작용이 없고, 심장의 운동을 보조하는 역할까지 해 심장 기능을 획기적으로 개선할 수 있다. 연구진은 고전도성을 유지하는 전극을 만들기 위해 은 나노선을 채택하고, 금을 도금해 나노선의 독성을 차단했다. 또한 심장외막을 안정적으로 감싸기 위해 고무와 혼합, 구불구불하고 탄성을 가진 그물망 전극을 구현하였다.

연구진은 심근경색을 유발한 실험용 생쥐에 자극기를 적용해 실험한 결과, 심장신호를 정확하게 읽을 수 있었으며, 미세한 전기 자극으로도 심장을 효과적으로 재동기화 할 수 있었다. 자극기는 기계적 특성이 심장조직과 비슷해 심장의 이완 시 심장에 전혀 무리를 주지 않았고, 수축 시 심장을 도와 심실 벽의 스트레스를 줄여 심장의 부하를 덜어줬다. 더불어 유연한 전극이 심장을 고루 감싸 전기자극을 전달해 심근경색 생쥐 심장의 수축기능을 향상시켰다. 향후 임상을 거쳐 자극기가 본격적으로 활용될 경우, 심근 경색 및 심부전 치료에 큰 도움이 될 전망이다.

연구를 주도한 김대형 연구위원은 “앞으로 대(大)동물 실험과 임상 실험을 진행함은 물론, 기존 소재를 체내 장기에도 사용이 가능한 무독성 재료로 대체하는 추가 연구도 진행할 예정”이라며, “본 연구 성과가 근시일 내 심장질환을 획기적으로 치료할 수 있는 표준치료법으로 자리 잡을 수 있도록 연구에 매진하겠다”고 밝혔다.

▲ 심장의 전기적 기계적 특성과(좌), 이러한 특성을 적용한 심외막 그물망(중). 은 나노선과 고무 복합체(우)로 구성되어있어 심장의 수축, 이완에도 높은 전도성을 유지할 수 있다.

▲ 심외막 그물망의 구조를 보여주는 사진(좌)과 단면을 보여주는 전자현미경사진(우).

▲ 생쥐 심장에 감싼 심외막 그물망(좌)과 표면 심전도, 기존 카테터, 그리고 심외막 그물망을 이용한 심전도 측정(우). 카테터 대비 심외막 그물망을 사용했을 때 훨씬 안정적인 심장 전기 신호를 보인다.

▲ 심외막 그물망의 심실세동 측정과(위), 심외막 그물망을 이용한 제세동(아래). 심외막 그물망에 의해서 비정상적인 전기신호를 감지할 수 있고 전기를 가해 심실의 잔 떨림을 종료 시킬 수 있다.

이번 연구 성과는 세계적 의학 분야 학술지인 사이언스 중개의학(Science Translational Medicine, IF 15.843)에 6월 23일자로 온라인 게재되었다.