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인공 신장

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목차

1. 개요

인공 신장은 신부전 환자를 치료하기 위해 개발되고 있는 기술로, 신장의 기능을 대체하는 것을 목표로 한다. 신부전은 질소 폐기물, 염분, 수분 및 pH 불균형 축적으로 발생하며, 당뇨병과 고혈압이 주요 원인으로 작용한다. 기존의 혈액 투석과 신장 이식의 한계를 극복하기 위해, 이식형과 착용형 인공 신장 개발이 활발히 진행되고 있다. 이식형 인공 신장은 실리콘 나노 필터를 사용하여 면역 거부 반응 없이 혈액을 여과하며, 착용형 인공 신장은 환자가 휴대하며 사용할 수 있는 소형 투석기를 목표로 한다. 인공 신장 개발은 생명 연장과 삶의 질 개선에 기여할 수 있지만, 기술적 과제와 윤리적 문제 또한 존재한다.

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인공 신장
개요
종류혈액투석 장치
사용 목적신부전 환자의 신장 기능 대체
작동 원리확산, 초여과, 흡착
구성 요소혈액 회로
투석액 회로
반투막
제어 시스템
역사
초기 개발1913년 존 에이블
임상 적용1940년대 빌럼 콜프
상용화1960년대
작동 원리 상세
혈액 회로환자의 혈액을 인공 신장으로 이동시키는 경로
투석액 회로노폐물이 제거된 깨끗한 투석액을 공급하는 경로
반투막혈액과 투석액 사이에서 노폐물을 선택적으로 이동시키는 막
확산농도 차이에 의해 노폐물이 혈액에서 투석액으로 이동
초여과압력 차이를 이용하여 혈액 속의 과도한 수분을 제거
흡착특정 물질을 막 표면에 붙여 제거
종류
혈액투석기 (Hemodialyzer)가장 일반적인 형태의 인공 신장
혈액여과기 (Hemofilter)초여과를 통해 수분과 노폐물 제거
혈액투석여과기 (Hemodiafilter)확산과 초여과를 동시에 사용
구성 요소 상세
투석막셀룰로스, 합성 고분자
투석액전해질, 완충액, 포도당
혈액 펌프혈액 순환 속도 조절
감시 장치압력, 온도, 혈액 누출 감지
임상 적용
적용 질환급성 및 만성 신부전
치료 주기일반적으로 주 3회, 1회 3~5시간
합병증저혈압, 근육 경련, 감염, 출혈
미래 전망
이식형 인공 신장인체 내에 삽입 가능한 소형 인공 신장 개발 중
웨어러블 인공 신장휴대 가능한 인공 신장 개발 중
바이오 인공 신장생체 세포를 이용한 인공 신장 개발 연구

2. 역사적 배경

제2차 세계 대전 이전까지 신부전은 일반적으로 환자가 사망하는 것을 의미했다. 전쟁 중에 신장 기능과 급성 신부전에 대한 몇 가지 통찰이 이루어졌다.[7] 1980년대에는 자가 혈액 투석이 비용, 시간, 공간 효율성 문제로 인해 감소하였다.[9] 2000년대 이후 당뇨병, 고혈압과 같은 만성 질환의 발병이 증가하면서 투석 환자 수가 급증하였다.[6]

3. 개발 필요성

전 세계적으로 신부전 환자가 증가하고 있으며, 특히 개발도상국에서는 치료 접근성이 낮아 많은 환자가 사망하고 있다.[19][20] 일본은 선진국 중 투석률이 가장 높은 국가 중 하나이며, 미국은 말기 신부전 환자 사망률이 가장 높다.[6] 기존 혈액 투석은 QOL을 저하시키고,[21] 신장 이식은 장기 기증 부족 문제가 있다.[12]

미국에서는 2001년부터 2011년까지 말기 신부전 환자 수가 약 49.7% 증가했으며,[6] 2005년 기준으로 45만 2천 명의 미국인이 말기 신장 질환(ESKD)을 앓고 있는 것으로 나타났다.[10] 이러한 환자 수의 증가는 인공 신장 기술 개발의 필요성을 더욱 강조하고 있다.

기존 주 3회 투석보다 더 자주, 더 오래 지속되는 투석 치료가 임상 결과 개선과 관련이 있을 수 있다는 연구 결과도 있다.[11] 그러나 주 6회, 밤새도록 투석을 시행하는 것은 대부분 국가에서 기존 자원을 압도할 수 있다.[12] 따라서 신장 이식을 위한 기증 장기 부족과 함께 착용하거나 이식 가능한 인공 신장 장치 개발과 같은 대체 치료법 개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.[12]

4. 개발 현황

인공 신장 개발은 신부전 환자 치료에 있어 매우 중요한 과제이다. 전 세계적으로 신부전 환자가 증가하고 있으며, 특히 개발도상국에서는 많은 환자들이 적절한 치료를 받지 못하고 있다.[19][20] 신장 이식이 대안이 될 수 있지만, 장기 기증 부족 문제가 심각하다.[21]

현재 인공 신장 개발은 크게 이식형과 착용형 두 가지 방향으로 진행되고 있다. 밴더빌트 대학교 연구진은 마이크로칩 기술과 생체 신장 세포를 이용한 이식형 인공 신장을 개발하고 있으며,[21] 매사추세츠 종합 병원은 쥐에게 이식 가능한 인공 신장을 개발했다.[22] 또한, iPS 세포를 이용하여 신장을 재생하는 방법도 연구, 개발되고 있다.[23]

4. 1. 이식형 인공 신장

밴더빌트 대학교 의료 센터의 윌리엄 H. 피셀 4세(William H. Fissell IV, MD)와 샌프란시스코 캘리포니아 대학교의 슈보 로이 교수는 이식형 생체 인공 신장 개발 프로젝트를 공동으로 진행하고 있다.[13] 이 장치는 실리콘 나노 기공 막(SEM)을 사용하여 혈액 여과와 생체 신장 세포 보호 기능을 동시에 수행한다.[13] SEM은 유체와 전해질의 이동은 허용하지만, 생체 신장 세포와 면역 체계의 상호 작용은 차단하는 미세한 기공을 가지고 있다.[13]

이러한 특징 덕분에 이식형 인공 신장은 다음과 같은 장점을 가진다.

  • 면역 거부 반응이 없어 환자는 면역 억제제를 복용할 필요가 없다.[13]
  • 외부 동력이 필요 없이 환자의 혈압에 의해 작동한다.[13]
  • 자연 신장과 유사하게 호르몬 조절 기능을 수행하여 환자의 건강을 증진시킨다.[13]
  • 소변을 생성하고 방광에 연결되어 자연스러운 배뇨가 가능하다.[13]


2020년, 연구진은 돼지를 대상으로 한 실험에서 이식형 인공 신장 시제품이 혈액 응고나 거부 반응 없이 작동함을 확인했다.[13] 이 시제품에는 인간 신장 세포가 포함되어 있었으며, 7일 동안 건강하게 유지되었다.[13] 연구진은 2030년까지 미국 식품의약국(FDA) 임상 시험 완료를 목표로 하고 있다.[13]

전 세계적으로 신부전 환자가 증가하고 있고, 특히 개발도상국에서는 많은 환자들이 적절한 치료를 받지 못하고 있다.[19][20] 신장 이식이 대안이 될 수 있지만, 장기 기증 부족 문제가 심각하다.[21] 이러한 상황에서 이식형 인공 신장 개발은 매우 중요하며, 대한민국에서도 관련 연구 및 투자가 필요하다.

4. 2. 착용형 인공 신장

착용형 인공 신장(WAK, Wearable Artificial Kidney)은 말기 신부전 환자가 지속적으로 투석을 받을 수 있도록 고안된 착용형 투석기이다. 아직 상용화되지는 않았지만, 일반 신장 기능을 모방할 수 있는 휴대용 장치 개발을 목표로 연구가 진행 중이다.[14][15][16]

건강한 신장은 하루 24시간, 일주일에 168시간 동안 혈액을 정화하지만, 말기 신부전 환자는 일주일에 약 12시간만 투석 치료를 받는다. 이는 환자의 삶의 질 저하와 사망률 증가로 이어진다. 따라서 24시간 지속적인 투석이 가능한 착용형 인공 신장이 필요하다.[14][15][16]

미국 식품의약국(FDA)은 Blood Purification Technologies Inc.에서 설계한 착용형 인공 신장에 대한 최초의 인간 임상 시험을 승인했다. 프로토타입은 9볼트 배터리로 작동하는 약 약 4.54kg 무게의 장치로, 카테터를 통해 환자와 연결되며 500ml 미만의 투석액을 사용한다.[14] 배터리로 작동하여 환자가 착용한 채 보행할 수 있어 삶의 질을 향상시킨다. 또한 혈액량 조절 개선, 고혈압 및 나트륨 축적 감소, 심혈관 질환 및 뇌졸중 발생률 감소 등 생리적 측면도 개선하도록 설계되었다.[14][15][16]

착용형 인공 신장 개발을 위한 여러 실험이 진행되었으며, 주요 목표는 일반 신장처럼 기능하도록 하는 것이다.[14] 8명의 환자를 대상으로 한 실험에서는 4~8시간 동안 착용형 인공 신장을 착용하여 체액 제거가 초여과 펌프로 제어되고, 바늘 분리 시 혈액 펌핑이 중단되는 등의 결과가 나타났다.[14] 다른 연구에서는 초여과 펌프 대신 연동 펌프를 사용하면 센서 없이 혈류 속도를 알 수 있어 장치를 더 저렴하고 신뢰할 수 있게 만들 수 있다고 제안한다.[17]

9볼트 배터리로 작동 가능하지만, 장시간 사용에는 연료 전지, 무선 에너지 전송, 환경 에너지 수확 등 다른 에너지원이 더 효과적일 수 있다는 연구 결과가 있다.[14][18] 연구자들은 에너지 효율성, 저렴한 비용, 소량의 투석액 재사용 가능 여부 등을 계속 연구하고 있다.[14]

신부전은 전 세계적으로 심각한 문제이며, 특히 개발도상국에서는 많은 환자가 적절한 치료를 받지 못하고 사망한다.[19][20] 인공 투석은 삶의 질을 저하시키므로 신장 이식이 필요하지만, 장기 기증 부족으로 이식형 인공 신장 개발이 절실하다. 밴더빌트 대학교 연구진은 마이크로칩 기술과 생체 신장 세포를 이용한 이식형 인공 신장을 개발하고 있으며,[21] 매사추세츠 종합 병원은 쥐에게 이식 가능한 인공 신장을 개발했다.[22] 인공 투석 장치 소형화, iPS 세포를 이용한 신장 재생 등 다양한 방식이 연구, 개발되고 있다.[23]

4. 3. 기타 연구

매사추세츠 종합 병원은 쥐에게 이식 가능한 인공 신장을 개발했다[22]。iPS 세포를 이용하여 신장을 재생하는 방법도 연구, 개발되고 있다[23]。

5. 기술적 과제

인공 신장 개발에 있어 극복해야 할 기술적 과제는 다음과 같다.[24]


  • 필터에서의 혈액 응고 및 엉김 현상 제거
  • 신장 세포 생존 기간 연장
  • 에너지 효율성, 경제성, 소형화


UCSF의 인공 신장 개발 프로젝트에서는 반도체 제조 기술을 활용한 실리콘 나노 필터를 통해 혈액 응고 및 엉김 현상을 줄이고, 공여된 신장에서 추출한 신장 세관 세포를 포함한 생물 반응기를 통해 신장 세포 생존 기간을 늘리는 연구를 진행하고 있다. 또한, 인체의 혈압을 이용하여 작동하므로 외부 동력이 필요 없도록 에너지 효율성을 높이고, 소형화를 통해 이식 가능성을 높이는 연구도 진행 중이다.[24]

6. 윤리적 문제

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참조

[1] 논문 History of hemodialyzers' designs https://onlinelibrar[...] 2008
[2] 문서 Kidney Anatomy
[3] 웹사이트 The Kidneys and How They Work http://www.niddk.nih[...] 2015-11-30
[4] 웹사이트 Kidney Overview http://www.webmd.com[...] 2015-12-02
[5] 웹사이트 Key Points: About Dialysis For Kidney Failure https://www.kidney.o[...] National Kidney Foundation 2016
[6] 웹사이트 Dialysis Demand Strong as Kidney Disease Grows http://www.modernhea[...] Modern Healthcare 2014-10-11
[7] 논문 Crush injuries with impairment of renal function.
[8] 뉴스 Fast Facts https://www.kidney.o[...] National Kidney Foundation 2016-11-13
[9] 논문 Artificial kidney for frequent (daily) Hemodialysis https://patents.goog[...] 1994-08-09
[10] 논문 Dialysis and Nanotechnology: Now, 10 years, or Never?
[11] 논문 The London daily/nocturnal Hemodialysis study: Study design, morbidity, and mortality results.
[12] 논문 Differentiated Growth of Human Renal Tubule Cells on Thin-Film and Nanostructured Materials
[13] 논문 Feasibility of an implantable bioreactor for renal cell therapy using silicon nanopore membranes 2023-08-29
[14] 논문 Toward the wearable artificial kidney 2008-07-01
[15] 논문 A wearable artificial kidney for patients with end-stage renal disease
[16] 논문 Technical Breakthroughs in the Wearable Artificial Kidney (WAK) 2016-12-07
[17] 논문 Design and Optimization of A Blood Pump for A Wearable Artificial Kidney Device 2013-09-01
[18] 논문 A wearable artificial kidney: technical requirements and potential solutions
[19] 웹사이트 夢の現実化が見えてきた！ 「再生腎臓を最速で患者に届ける」 日本唯一のオープンイノベーション http://healthcare-bi[...]
[20] 웹사이트 慢性腎不全の総患者数は29万6,000人 https://seikatsusyuk[...]
[21] 웹사이트 ナノテクノロジーによる移植可能な人工腎臓 http://www.medtecjap[...]
[22] 웹사이트 人工腎臓の実現が近づいている https://wired.jp/201[...]
[23] 웹사이트 創薬スクリーニングを可能にするヒトiPS細胞を用いた腎臓Organ-on-a-Chip https://www.amed.go.[...]
[24] 웹인용 미국 인공신장 프로젝트 https://pharm.ucsf.e[...] 2017-02-06


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