미국 아칸소대학, 인공신장 연구 개발 중
미국 아칸소대학, 인공신장 연구 개발 중
  • 송말수 기자
  • 승인 2020.06.05 16:45
  • 댓글 0
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이미지 출처: crystal light/Shutterstock.com
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[퓨처타임즈=송말수 기자] 아칸소대학교(University of Arkansas)의 화학공학 연구자들의 새로운 기능성 인공신장이 한 걸음 더 가까워졌다. 연구원들은 생물학적 네프론과 유사한 방식으로 혈액을 걸러 낼 수 있는 장치를 만들었다. 이 시스템은 독립형 장치로 또는 복막 투석과 함께 치료에 사용되는 용액의 화학 작용을 제어할 수 있다. 또한 이 장치를 약간만 수정하면 착용할 수 있고 잠재적으로 이식 가능한 인공신장으로 기능할 수 있게 되었다.

전 세계 인구의 10%가 어떤 형태이든 신장 질환으로 고통받고 있다. 여기에는 미국에서 3,700만 명의 사람들이 포함되며 그 중 10만 명이 매년 신장 이식을 기다리고 있다.

 

우리의 신장은 우리가 살아있고 건강하게 유지하는 데 중요하다. 설탕이든 생일 케이크나 비타민이든 샐러드를 먹든 혈액 화학을 안정적으로 유지하는 화학 컴퓨터는 폐기물 축적을 막고 전해질 수준을 안정화시킨다. 혈압을 조절하고 적혈구를 만들기 위해 호르몬을 생성한다.

 

신장은 혈액 세포, 단백질 및 미네랄을 차단하면서 유체 및 폐기물을 통과시키는 필터인 네프론(nephrons)을 사용하여 혈액을 청소한다. 후자는 혈액으로 재 통합되고, 후자는 신체를 소변으로 남겨둔다.

 

과학자들은 신장 질환과 신부전을 치료할 수 있는 치료법을 마련하기 위해 고군분투했으며, 그 복잡성으로 인해 신장은 합성 재생산이 매우 어렵다는 것을 의미한다. 각 신장에는 약 백만 개의 복잡한 구조의 네프론이 들어 있다.

 

그러나 아칸소대학교(University of Arkansas)의 화학공학 연구자들의 새로운 기능성 인공신장이 한 걸음 더 가까워졌다. 연구원들은 생물학적 네프론과 유사한 방식으로 혈액을 걸러 낼 수 있는 장치를 만들었다. 그들은 Nature Communications Materials에 발표된 최근 논문에서 이 장치를 설명했다.

 

혈액이 신장을 통과할 때 일어나는 두 가지 기본 과정이 있다. 첫째, 사구체(glomeruli)라고 불리는 혈관 클러스트는 작은 분자, 폐기물 및 물을 통과시키는 반면 단백질과 혈액 세포는 뒤에 남아 있게 한다. 이 첫 번째 필터를 통과 한 물질은 네프론 네트워크로 흘러 들어가서 이온 수송이라는 프로세스에서 추가로 필터링 된다.

 

연구원들은 두 번째 단계인 이온 수송에 중점을 두었다. 그들은 두 개의 이온 교환 웨이퍼 사이에 백금으로 만들어진 다공성 메쉬를 배치하여 전기장을 사용하여 막을 통해 이온을 밀어내는 웨이퍼를 만든다. 백금 메시는 전압이 인가될 때 전극 역할을 하므로 팀은 다른 이온을 선택하고 운송 속도를 독립적으로 조정할 수 있다. 그들은 다양한 이온으로 기술을 테스트했으며 신장이 수행하는 이온 수송을 성공적으로 할 수 있었다.

 

이 연구팀은 다른 연구 그룹이 줄기세포를 포함한 살아있는 세포기반 시스템을 사용하여 인공 네프론을 만들려고 시도했다. 그러나 생물체 기반 시스템은 자연스럽고 생활 환경을 벗어난 환경에서 기능을 제어하는 물리적 및 호르몬 신호가 없기 때문에 네프론의 기능, 특히 이온 수송을 복제하는 데 어려움을 겪고 있다.

 

아칸소 화학공학 부교수이자 논문의 수석 저자인 Christa Hestekin이 다음과 같이 말했다. “이 시스템은 독립형 장치로 또는 복막 투석과 함께 치료에 사용되는 용액의 화학 작용을 제어할 수 있다. 또한 이 장치를 약간만 수정하면 착용할 수 있고 잠재적으로 이식 가능한 인공신장으로 기능할 수 있게 되었다.” 라고 말했다.

 

미국에서만 93,000명이 넘는 사람들이 현재 신장이식 대기자 명단에 올라 있다. 완전한 기능을 하는 인공신장이 여전히 몇 년 전부터 있을지 모르지만 과학자들은 이 중요한 장기를 재생산하는 데 점진적으로 진보하고 있다. 여기에 설명된 것과 같은 인공 네프론은 복잡한 퍼즐의 한 조각 일 뿐이다.

 

또 다른 중요한 부분은 작동하는 혈관 네트워크이다. 2015년 Lawrence Livermore National Laboratory의 과학자들은 생물학적 네프론의 기능 중 일부를 복제하는 생체인쇄 신장조직을 만들었다. 2016년 하버드 루이스 랩(Harvard 's Lewis Lab)의 한 그룹은 3D프린팅을 사용하여 혈액 흐름을 위한 혈관 네트워크가 완비된 네프론의 세관을 재생성 했지만 두 달이 조금 넘게 살아있었다.

 

따라서 아칸소팀 기술의 완전 합성 특성은 생물학적 기반 접근 방식을 뒷받침할 수 있다. Hestekin에 따르면, 네프론은 한외 여과, 나노 여과 또는 역삼투 시스템과 결합하여 인공신장에 통합될 수 있다.

 

많은 사람들이 그들을 필요로 할 때 인공신장은 빨리 올 수 없으며 현대 과학이 도착했을 때 기적이 될 것이다. 아직 시간이 걸리겠지만 이와 같은 점진적인 발전으로 인해 "만약"대신 "언제쯤"이라고 말할 수 있게 되었다.


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