서울대병원 순환기내과 이승표 교수와 서울대 공대 김대형(IBS 나노입자연구단 부연구단장)·현택환 교수(IBS 나노입자연구단장) 공동 연구팀이 부정맥 발생 부위를 진단해 큰 충격 없이도 치료할 수 있는 ‘다채널 전기 자극 어레이’를 개발하고, 동물 모델을 통해 효과를 검증한 결과를 14일 발표했다.

부정맥 위험이 높은 심부전 환자는 예기치 못한 악성 심실 부정맥을 발생 즉시 치료하기 위해 삽입형 제세동기를 체내에 이식한다. 삽입형 제세동기는 부정맥이 시작된 부위만 자극할 수 없어서 불가피하게 심장 전체에 영향을 미칠 만큼 강한 전기충격을 발생시켜 부정맥을 차단한다. 이 충격을 통해 심장 전기 신호의 이상을 리셋하고, 박동을 정상화하는 것이다.

하지만 제세동기의 충격은 도끼로 찍히는 느낌에 비견될 정도의 강렬한 통증을 일으켜, 이를 두려워하는 환자가 많다. 또한, 강한 전기 충격은 심장의 정상적 수축 기능을 방해할 수도 있어 개선이 필요한 상황이다. 이에 연구팀은 부정맥의 시작 부위를 정확히 찾아내고, 해당 부분에만 전기 자극을 적게 가하여 충격을 최소화할 수 있는 나노 소재 기반 ‘다채널 전기 자극 어레이(array)’를 제작했다.

다채널 전기 자극 어레이는 8개 또는 32개의 전극 채널이 4×2 또는 8×4로 배치되어 있어 각 전극을 통해 심장의 각 부위에서 전기 신호를 측정한다. 이를 부정맥이 잘 발생하는 심근경색 동물 심장 모델에 적용한 결과, 부정맥의 시작 지점을 정확히 진단할 수 있었다.

또한, 강력한 단발성 충격을 주는 기존 삽입형 제세동기와 달리, 다채널 전기 자극 어레이는 부정맥이 시작된 부위를 특정해 심장에서 감지하지 못할 정도로 약한 전기 자극(역치하 자극)을 연속적으로 발생시켜 부정맥 전기 신호를 차단할 수 있는 것으로 확인됐다. 즉, 큰 충격 없이도 악성 심실 부정맥을 ‘조용하게’ 치료할 수 있는 가능성을 확인한 것이다. 만일 역치하 자극으로 치료가 불가능할 경우, 자극의 강도를 순차적으로 높여 치료할 수 있었다.

아울러 역치하 전기 자극을 계속 가하면, 추가적인 악성 심실 부정맥의 발생도 예방할 수 있는 것으로 확인됐다. 동물 모델에서 다채널 전기 자극 어레이를 통해 역치하 전기 자극을 가한 ▲예방군(n=29)과 그렇지 않은 ▲대조군(n=29)으로 나누고 심근경색을 유도한 결과, 부정맥 발생 비율은 예방군과 대조군이 각각 17%, 55%로 대조군에서 3배 이상 높았다.

이번 연구는 미국과학진흥협회의 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances, IF;14.98)’ 최근호에 게재됐다.

연구팀은 부정맥을 통증 없이 사전에 차단할 수 있음을 확인한 다채널 전기 자극 어레이가 악성 부정맥의 진단과 치료뿐 아니라 예방 효과까지 보여줬으며, 이는 기존의 삽입형 제세동기 개선에 혁신적 아이디어를 제공하는 것이라고 강조했다.

서울대병원 이승표 교수는 “이번에 검증된 기술을 실제 부정맥 환자에게 적용할 수 있도록 더 큰 어레이로 성능을 높이고, 부정맥 진단·치료·예방의 자동화 알고리즘을 개발하는 연구를 추진할 것”이라고 말했다.