제1형 당뇨병 치료에 대한 유망한 접근법 중 하나는 필요할 때 인슐린을 생산할 수 있는 췌장 섬 세포를 이식하는 것이다. 이를 통해 환자는 자주 인슐린 주사를 맞지 않아도 된다. 그러나 이 접근법의 주요 장애물 중 하나는 세포가 이식되면 결국 산소가 부족해지고 인슐린 생산이 중단된다는 것이다.

 

이러한 장애물을 극복하기 위해 MIT 엔지니어들은 수십만 개의 인슐린 생성 섬 세포를 운반할 뿐만 아니라 체내에서 발견되는 수증기를 분해하여 산소를 생성하는 자체 온보드 산소 공장을 갖춘 새로운 이식형 장치를 설계했다.

 

연구진은 이 장치를 당뇨병이 있는 쥐에 이식했을 때 쥐의 혈당 수치를 적어도 한 달 동안 안정적으로 유지할 수 있음을 보여주었다. 연구자들은 이제 1형 당뇨병 환자에게 테스트할 수 있는 츄잉껌 막대 크기의 더 큰 버전의 장치를 만들기를 희망하고 있다.

 

“인슐린을 분비하는 인간 세포로 만든 생체 의료기기와 전자 생명 유지 시스템이라고 생각하시면 된다. 우리는 지금까지의 진전에 매우 기쁘고, 이 기술이 결국 환자들에게 도움이 될 수 있을 것이라고 낙관하고 있다.”고 MIT 화학 공학과 교수이자 MIT 코흐 통합 암 연구 연구소 및 의료 공학 및 과학 연구소(IMES) 회원이자 이번 연구의 수석 저자인 다니엘 앤더슨(Daniel Anderson)은 말한다.

연구자들의 주요 초점은 당뇨병 치료에 있지만, 이러한 종류의 장치는 치료 단백질의 반복적인 전달이 필요한 다른 질병을 치료하는데도 적용될 수 있다고 그들은 말한다.

 

MIT 연구 과학자 싯다르트 크리슈난(Siddharth Krishnan)은 최근 국립과학원회보(Proceedings of the National Academy of Sciences)에 게재된 이 논문의 주요 저자이다. 연구팀에는 또한 MIT의 데이비드 H. 코크(David H. Koch) 연구소 교수이자 코크 연구소 회원인 로버트 랭거(Robert Langer)와 보스턴 아동 병원의 연구원을 포함하여 MIT의 다른 여러 연구원도 포함되어 있다.

 

주사 교체

대부분의 제1형 당뇨병 환자는 혈당 수치를 주의 깊게 모니터링하고 적어도 하루에 한 번 인슐린을 주사해야 한다. 그러나 이 과정은 혈당 수치를 조절하는 신체의 자연적인 능력을 복제하지 않는다.

“인슐린 의존형 당뇨병 환자의 대다수는 스스로 인슐린을 주사하고 최선을 다하고 있지만 건강한 혈당 수치를 갖고 있지 않다.”라고 앤더슨은 말한다. "혈당 수치를 보면 조심하는데 매우 헌신적인 사람들의 경우에도 살아있는 췌장이 할 수 있는 일과 비교할 수 없다."

 

더 나은 대안은 환자의 혈당 수치가 급증하는 것을 감지할 때마다 인슐린을 생성하는 세포를 이식하는 것이다. 일부 당뇨병 환자는 인간 시체에서 이식된 섬 세포를 받았는데, 이를 통해 당뇨병을 장기간 조절할 수 있다. 그러나 이러한 환자들은 신체가 이식된 세포를 거부하는 것을 방지하기 위해 면역억제제를 복용해야 한다.

 

최근에는 줄기세포에서 추출한 섬세포를 사용하여 연구자들이 비슷한 성공을 거두었지만 이러한 세포를 투여받는 환자는 면역억제제를 복용해야 한다.

면역억제제의 필요성을 예방할 수 있는 또 다른 가능성은 면역체계로부터 세포를 보호하는 유연한 장치 내에 이식된 세포를 캡슐화하는 것이다. 그러나 이러한 캡슐화된 세포에 안정적인 산소 공급 장치를 찾는 것은 어려운 것으로 입증되었다.

 

임상 시험에서 테스트된 장치를 포함한 일부 실험 장치에는 세포에 공급할 수 있는 산소 챔버가 있지만 이 챔버는 주기적으로 다시 로드해야 한다. 다른 연구자들은 산소를 생성할 수 있는 화학 시약을 포함하는 임플란트를 개발했지만 이 역시 결국에는 고갈된다.

 

MIT 팀은 물을 분해함으로써 잠재적으로 산소를 무한정 생성할 수 있는 다른 접근 방식을 취했다. 이는 장치 내에 위치한 양성자 교환막(원래 연료 전지에서 수소를 생성하기 위해 사용된 기술)을 사용하여 수행된다. 이 막은 수증기(체내에서 풍부하게 발견됨)를 수소로 분리하여 무해하게 확산되고, 산소는 얇은 산소 투과성 막을 통해 섬 세포에 공급되는 저장실로 들어간다.

 

이 접근 방식의 중요한 장점은 전선이나 배터리가 필요하지 않다는 것이다. 이 수증기를 분리하려면 작은 전압(약 2V)이 필요하며 이는 공진 유도 결합이라는 현상을 사용하여 생성된다. 신체 외부에 위치한 조정된 자기 코일은 장치 내의 작고 유연한 안테나에 전력을 전송하여 무선 전력 전송을 가능하게 한다. 연구원들은 이를 환자의 피부에 패치로 착용할 수 있을 것으로 예상하는 외부 코일이 필요하다.

 

주문형 약물

연구진은 미국 1/4 크기의 장치를 제작한 후 당뇨병이 있는 쥐를 대상으로 테스트했다. 한 그룹의 쥐는 산소를 생성하고 물을 분해하는 막이 있는 장치를 받았고, 다른 그룹에는 산소 보충 없이 섬 세포가 들어 있는 장치를 받았다. 이 장치는 완전한 기능을 갖춘 면역 체계를 갖춘 쥐의 피부 바로 아래에 이식되었다.

 

연구진은 산소 발생 장치를 이식한 쥐가 건강한 동물과 비슷한 수준으로 정상적인 혈당 수치를 유지할 수 있다는 사실을 발견했다. 그러나 무산소 장치를 받은 쥐는 약 2주 이내에 고혈당증(혈당 상승)이 나타났다.

일반적으로 모든 종류의 의료 기기가 신체에 이식되면 면역 체계의 공격으로 인해 섬유증이라는 흉터 조직이 축적되어 기기의 효과가 감소할 수 있다. 이런 종류의 흉터 조직은 이 연구에 사용된 임플란트 주위에 형성되었지만, 이 장치가 혈당 수치를 성공적으로 조절했다는 사실은 인슐린이 여전히 장치 밖으로 확산되어 포도당이 장치 속으로 확산될 수 있음을 시사한다.

 

이 접근법은 장기간에 걸쳐 투여해야 하는 다른 유형의 치료 단백질을 생산하는 세포를 전달하는 데에도 사용될 수 있다. 이번 연구에서 연구원들은 이 장치가 적혈구 생성을 자극하는 단백질인 에리스로포이에틴을 생성하는 세포를 살아있게 유지할 수도 있음을 보여주었다.

 

앤더슨은 “우리는 체내에 머물면서 필요에 따라 약물을 생산할 수 있는 살아있는 의료기기를 만드는 것이 가능할 것이라고 낙관하고 있다”고 말했다. “환자가 외인성으로, 때로는 매우 빈번하게 단백질을 섭취해야 하는 다양한 질병이 있다. 격주로 주입해야 하는 필요성을 오랫동안 작용할 수 있는 단일 임플란트로 대체할 수 있다면 많은 환자에게 정말 도움이 될 수 있다고 생각한다.”

 

연구원들은 이제 더 큰 동물과 궁극적으로 인간을 대상으로 테스트하기 위해 장치를 조정할 계획이다. 인간이 사용할 수 있도록 그들은 츄잉껌 막대 크기의 임플란트를 개발하기를 희망한다. 그들은 또한 장치가 장기간 동안 신체에 남아 있을 수 있는지 테스트할 계획이다.

크리슈난(Krishnan)은 "우리가 사용한 재료는 본질적으로 안정적이고 수명이 길기 때문에 그러한 종류의 장기적인 운영이 가능하다고 생각하며 그것이 바로 우리가 연구하고 있는 것이다."라고 말한다.

랭거(Langer)는 “우리는 이러한 발견이 언젠가는 당뇨병 및 기타 질병을 치료하는 완전히 새로운 방법을 제공할 수 있을 것이라고 생각하여 매우 기쁘게 생각한다.”고 덧붙였다.