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학술

이른둥이 출산 획기적으로 줄일 수 있는 전자약 개발

‘IEEE-Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering’ 최신 호에 게재

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비침습적 전자약으로 자궁수축신호 감지하여 조산 조기진단
자율신경을 조절하는 전기신호로 자궁 수축을 억제해 조산 방지




조산은 전체 임신의 12.7%를 차지하고 있으며, 전체 출산율은 감소하는데, 조산으로 인한 ‘이른둥이’의 발생 비율은 7년 연속 증가하고 있다. 

‘이른둥이’는 신생아 사망의 절반을 차지할 뿐 아니라, 신경학적 장애와 같은 합병증으로, 발달장애, 호흡기 합병증 등 영아가 추후 장애를 갖게 되는 경우가 많다. 현재까지 조산은 임산부가 본인 스스로 신체적인 이상을 감지하거나 정기적 초음파 측정, 질내 체액 측정 등의 검사를 받아야만 진단할 수 있지만, 조기진단이 어렵고 자궁수축억제제와 같은 부작용이 우려되는 화학적 치료제의 투입 외에는 다른 치료 방법이 많지 않은 실정이다. 



고려대학교 안암병원(원장 박종훈) 산부인과 안기훈 교수팀(왕은진, 김희윤 연구원)은 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 뇌과학연구소 이수현 박사 연구팀, 그리고 안전성평가연구소 황정호 박사팀과의 공동연구를 통해 조산을 조기에 진단하고, 동시에 치료 할 수 있는 비침습형  전자약(Electroceutical)1을 개발했다고 밝혔다. 

일반적으로 조산은 자연적인 조기 진통, 조기 양막 파수 등 다양한 원인에 의한 것으로 알려져 있지만, 자궁이 불규칙적으로 수축하는 증상이 공통적으로 나타난다. 연구팀은 도넛 모양의 신경전극을 개발해 임산부의 자궁경부에 비침습적으로 삽입한 후, 자궁 수축신호를 실시간으로 감지하여 조산을 조기에 진단할 수 있게 했다. 뿐만 아니라, 개발한 신경전극은 자궁의 수축신호를 감지한 후 교감신경을 자극하는 전기신호를 발생시킬 수 있어서 교감신경의 자극을 받으면 자궁 내 근육이 이완되어 자궁의 수축을 억제할 수 있는 전자약으로 기능할 수 있다. 

연구팀은 이 전자약을 조산 쥐와 돼지 모델에서 진단에서부터 치료까지 그 안전성 및 기능을 검증한 결과, 전자약을 통해 발생시킨 전기자극으로 자궁 수축 현상을 지연 및 억제할 수 있음을 확인하였다.



고려대학교 안암병원 산부인과 안기훈 교수는 "전 세계적으로 자궁수축억제에 대한 신약 개발이 활발히 진행되어왔지만, 미미한 효과와 부작용 때문에 새로운 기전으로 작용하는 의료기기에 대한 임상적 필요성 때문에 개발을 진행하였다"라며 "이번에 개발된 최초의 자궁수축조절 의료기기를 통해 조산으로 인한 영아 사망 및 후유증을 획기적으로 줄일 수 있을 것으로 기대한다"라고 밝혔다.




KIST 이수현 박사는 “개발된 도넛 형태의 전자약은 기존의 화학적 약물 기반의 치료법이 아닌 전기자극을 이용하여 자궁의 수축을 억제하는 치료기기로서 신개념의 의료기술로 발전할 가능성이 있다.”라고 말하며, “KIST와 고려대 안암병원의 중개연구센터 사업으로 시작된 본 연구는 향후 범부처의료기기 사업과 같은 정부 지원을 받아 임상 연구를 추진할 계획이다.”라고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 고려대학교 안암병원과 KIST 중개연구센터(TRC- Translational Research Center) 사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 전기전자 분야 국제학술지인 ‘IEEE-Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering’ 최신 호에 게재되었다. 

* (논문명) Non-invasive Ring Electrode with a Wireless Electrical Recording and Stimulating System for Monitoring Preterm Labor


[참조]
1. 전자약(Electroceutical): 전자(electronic)와 약품(pharmaceutical)의 합성어로, 약물 대신 전기, 빛, 초음파를 이용하여 신경회로를 자극해 대사기능을 조절함으로써 신체의 항상성을 회복 또는 유지하는 치료법


연구결과 개요

1. 연구배경

보건복지부 통계(2019년)에 의하면 국내에서 매년 약 3만 명의 조산아가 발생하고 있으며, 조산아는 영아 사망의 절반을 차지할 뿐 아니라, 50% 가 신경학적 장애 등의 합병증이 동반되어 발달장애, 호흡기 합병증 등 추후 장애를 갖고 살게 되는 경우가 많다. 조산의 원인은 다양하다고 알려져 있지만, 자궁근 수축과 자궁경관 확장은 다양한 조산 원인에서 공통적으로 발생하는 생리학적 현상이다. 

현재까지 임상에서 널리 쓰이는 프로게스테론, 항생제, 조산 억제제의 치료적 효과는 미미한 현실이며, 조산의 예측을 위해서 초음파적 자궁경부 길이 측정, 질내 체액의 fetal fibronectin 측정 등의 검사가 이루어지고 있지만, 낮은 정확도로 진단적 효용성에 의문이 제기되고 있다. 

이에 본 연구에서는 자궁을 포함한 골반 내 장기가 상당한 신경학적 조절을 받고 있다는 기존 타 연구자료를 바탕으로 골반 내 신경전달을 조절하여 자연 조기산통을 궁극적으로 치료할 수 있는 신경전극 기반 전자약을 개발하였으며, 이를 임신한 돼지의 자궁경부에서 비침습적으로 삽입하고, 실험하여 그 기능성을 검증, 확인하였다.


2. 연구내용

본 연구에서는 임신한 돼지에서 비침습형 전자약의 신경 신호 기록 및 전기자극 기술을 적용하여 조산의 진단에서부터 치료까지 그 안전성 및 기능성을 검증하였다. 

본 연구에서는 비침습적으로 자궁경부에 삽입이 가능한 신경전극을 개발하여 지속적인 자궁 수축신호 모니터링 및 특정한 전기자극을 인가함으로써 자궁 수축 현상을 지연 및 억제하는 작용을 검증하였다. 기록용 전극 (recording electrode)에서 임신한 돼지의 자궁 수축 신호를 감지하고, 자극용 전극 (stimulating electrode)에서 특정 전류를 인가하면 자궁 수축 신호가 작아지거나 지연되는 것을 확인하였다. 


3. 기대효과

현재까지 조기분만 진통에 대한 완벽한 치료가 없는 상황에서 효과적으로 조산의 진단 및 근본적인 치료법을 제시하는 연구 결과를 도출하였다. 

최근 4년간 1kg 미만 출생 영아 중 69명을 분석한 결과 3개월 동안 평균 947만 원의(본인부담금) 의료비 지출이 있었음을 생각하면 조산에 관한 본 연구의 접근은 전 세계적으로 인구절벽에 도달하는 국가들이 속출하는 상황에서 국가경쟁력 제고 차원에서 불필요한 자원 낭비 및 인적자원의 누수를 막을 수 있는 돌파구가 될 것으로 기대된다. 


연구결과 문답

□ 연구를 시작한 계기나 배경은? 

◯ 본 연구는 KIST와 고려대학교 안암병원과의 중개연구센터(TRC, Translational Research Center) 사업으로 시작하게 되었음. 연구자의 신경전극 관련 세미나 후 산부인과 임상 전문의의 조산 진단 및 치료에 특화된 신경전극을 개발 협의 후 연구 개발이 시작됨   


□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

◯ 기존 임상에서 사용되는 조산의 치료법이 약물적 치료법에 의존하고 있는 반면, 본 연구를 통해 확인한 결과 비침습적으로 자궁경부에 삽입된 전자약을 통해서 미세하게 인가된 전기자극이 자궁 수축에 관여하는 신경조절이 가능함을 확인, 검증하게 되었음. 이번 연구에서는 실험용 임신 상태의 돼지의 자궁경부에 개발된 전자약을 비침습적으로 삽입하여 실험을 진행하였으며, 자궁 수축 신호의 지속적인 모니터링 및 적절한 전기자극을 통해 자궁 수축을 효과적으로 지연, 억제하여 근본적인 조산의 치료법을 제시했다는 차이가 있음. 


□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 

◯ 개발된 전자약은 조산으로 인한 약물 투입 등으로 인한 산모에 대한 부작용과 조산으로 야기되어왔던 영아 사망률 감소 및 신경학적 장애 등의 합병증 유발 억제 등의 효과를 얻을 수 있을 것으로 기대됨.


□ 기대효과와 실용화를 위한 과제는?

◯ 추후 추가적인 임상실험 진행을 통해서 본 기술의 인체적용 방법에 대한 보완이 필요함. 




용어 설명

1. 조산 (Preterm birth)

임신한 날부터 37주가 되기 전에 (20-37주 사이) 이루어지는 분만을 말함. 하복부 및 골반 주위 압박 증상, 생리통 같은 통증, 질 출혈, 무색 분비물의 증가 등의 증상이 나타나며, 산모와 태아, 영아의 건강에 심각한 문제를 야기할 수 있음.


2. 자궁수축억제제 (Tocolytic)

조기 자궁 수축이 있을 때 조산 예방을 위해 투여하거나, 유산 위험이 있을 때 임신을 지속시키기 위해 사용함. 조산이 불가피할 것이 예상될 때 태아의 폐 성숙을 위한 클루코코르티코이드 투여 시간을 벌기 위해 사용함. Nifedipine, Atosiban, Ritodrine이 대표적인 약물임. 


3. 전자약(Electroceutical) 

전자(electronic)와 약품(pharmaceutical)의 합성어로, 약물 대신 전기, 빛, 초음파를 이용하여 신경회로를 자극해 대사기능을 조절함으로써 신체의 항상성을 회복 또는 유지하는 치료법



그림 설명



[그림 1]
도넛 형태의 (Ring type) 전자약의 개념도 (기록용/자극용 전극 및 mini board)



[그림 2] 제작된 도넛 형태의 전자약 이미지



[그림 3] 임신한 돼지의 자궁경부에 삽입된 전자약을 이용한 무선 자궁 수축신호 기록 및 전기자극을 통한 자궁 수축 지연/억제 실험 개념도 전자약에 연결된 송신기를 돼지의 등에 별도로 부착하여 자궁 수축 신호를 측정



[그림 4] 개발된 전자약을 통한 자궁 수축 개선을 보여주는 그래프
- 왼쪽 그래프 A, B: 자궁 수축을 유도하는 약물을 (Oxytocin, PGF2-a) 주입한 후, 기록용 전극을 통해서 자궁 수축을 감지하고 자극용 전극을 통해서 전기자극을 주는 동안 수축이 억제 및 지연되는 것을 확인함. 
- 오른쪽 그래프 A, B: 임신한 돼지의 출산 예정 당일, 전자약을 통해서 자궁 수축을 감지하고 전기자극을 주는 동안 자궁 수축신호가 억제 및 지연되는 것을 확인함. 



안기훈 교수(교신저자) 이력사항


1. 인적사항
 ○ 성명 : 안 기 훈
 ○ 소속 : 고려대학교 안암병원 산부인과 교수
          고려대학교 의과대학 산부인과학교실 교수 
 ○ 전화 : 02-920-6777
 ○ e-mail : akh1220@hanmail.net

2. 학력사항
 ○ 2000 고려대학교 의학과 학사
 ○ 2004 고려대학교 산부인과학 석사
 ○ 2009 고려대학교 산부인과학 박사

3. 경력사항  
 ○ 2008 - 2012 고려대학교 안암병원 산부인과 임상교원
 ○ 2012 - 2013 나고야대학, 킹스칼리지, 멜번대학, 아인샴스대학, 피츠버그대학병원 연수
 ○ 2013 - 2014 고려대학교 구로병원 산부인과 임상조교수
 ○ 2014 - 2015 고려대학교 안암병원 산부인과 임상조교수
 ○ 2015 - 2019 고려대학교 안암병원 산부인과 임상부교수
 ○ 2019 - 현재 고려대학교 안암병원 산부인과 교수 
 ○ 2020 - 현재 BMC Pregnancy and Childbirth editorial board member




이수현 박사(교신저자) 이력사항

1. 인적사항
 ○ 성명 : 이 수 현
 ○ 소속 : 한국과학기술연구원 뇌과학연구소
            바이오마이크로시스템연구단 책임연구원
 ○ 전화 : 02-958-6755
 ○ e-mail : shleekist@kist.re.kr

2. 학력사항
 ○ 2002 고려대학교 전기전자전파공학과 학사
 ○ 2005 University of Cincinnati, BioMEMS 석사
 ○ 2007 University of Cincinnati, BioMEMS 박사

3. 경력사항  
 ○ 2002 - 2006 University of Cincinnati, Graduate research assistant 
 ○ 2006 - 2010 한국과학기술연구원, 연구원
 ○ 2010 - 2018 한국과학기술연구원, 선임연구원
 ○ 2018 - 현재 한국과학기술연구원, 책임연구원
 ○ 2012 - 현재 과학기술연합대학원 (UST), 의공학과 부교수
 ○ 2013 - 2014 미국 UC Irvine, BioMiNT lab, 방문연구원

참고자료



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