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MIT Tech Review 5일 전

‘초냉각’ 돼지 신장 이식 성공… 장기 보존의 新전기

IMP
9/10
핵심 요약

장기 이식의 가장 큰 걸림돌인 짧은 보존 시간을 극복하기 위해, 영하 4도의 '초냉각(Deep supercooling)' 기술이 적용된 신장이 돼지에게 성공적으로 이식되었습니다. 이 혁신적인 장비는 얼음 결정 형성을 막아 장기를 수일간 안전하게 보존할 수 있게 해주며, 심각한 장기 부족 현상과 폐기율을 획기적으로 줄여줄 수 있는 중요한 의학적 돌파구로 평가받고 있습니다.

번역된 본문

핵심 요약 장기 기증에 있어 시간은 곧 생명입니다. 기증자의 몸에서 장기가 적출되는 순간부터 장기는 훼손되기 시작하며, 외과의사들이 이를 수혜자에게 이식할 수 있는 골든타임은 불과 몇 시간에 불과합니다. 시간이 너무 지연되면 장기는 사용할 수 없게 됩니다. 대부분의 경우, 장기는 섭씨 4도(화씨 39도) 정도의 얼음 위에서 보관됩니다. 과거의 시도에서 얼음이 형성되어 심각한 손상을 초래했기 때문에, 장기를 완전히 동결하는 것은 불가능했습니다.

텍사스 A&M 대학교의 매튜 파월 팜(Matthew Powell Palm)과 그의 동료들은 얼음을 전혀 형성하지 않고 장기를 영하 4도(화씨 25도)까지 냉각시킬 수 있는 대안적인 장치를 개발했습니다. 최근 돼지 장기를 활용한 새로운 연구에서 그의 팀은 적어도 신장의 경우 이 장치를 통해 수일 동안 초냉각 및 보존할 수 있음을 입증했습니다. 장기를 다시 데운 후 동물들에게 이식하는 데 성공했으며, 이 장기들은 얼음 위에 보관된 장기들보다 훨씬 더 양호한 상태를 보였습니다. 이 연구에 참여하지 않은 텍사스 기반의 장기 확보 기관인 LifeGift의 케빈 마이어(Kevin Myer) 사장 겸 CEO는 이를 두고 '획기적인 성과(landmark achievement)'라고 평가했습니다.

장기 냉각 기술 파월 팜은 이 접근 방식이 궁극적으로 장기 부족 위기를 완화하는 데 도움이 되기를 희망합니다. 현재 미국에서만 104,000명 이상의 사람들이 신장 이식을 기다리고 있습니다. 미국에서는 매일 17명이 이식 대기 중에 사망하는 것으로 추정됩니다. 이는 기증된 신장 부족 때문이기도 하지만, 이식 가능한 많은 신장이 수혜자에게 도달하지 못하기 때문이기도 합니다. 어떤 해에는 기증된 신장의 약 3분의 1이 폐기되는데, 이는 주로 수혜자에게 도달할 때쯤이면 장기가 너무 많이 훼손되어 사용할 수 없게 되기 때문입니다.

신장은 얼음 위에 약 24시간 동안 보관되거나, 신체의 상태를 모방하는 기계 장치에 최대 24시간 동안 보관될 수 있습니다. 마이어는 이 시간이 적합한 수혜자를 찾고 장기를 운송하기에 항상 충분하지는 않다고 말합니다. 전 세계의 과학들은 장기를 훨씬 더 낮은 온도로 냉각하여 보존 기간을 연장하는 방법을 연구해 왔습니다. 장기를 냉각하면 대사 속도가 느려집니다. 온도가 낮아질수록 그 효과는 커지며, 보존 기간도 더 길어집니다.

인간은 오래전부터 난자, 정자, 배아를 동결 보존하는 데 성공해 왔지만, 큰 장기를 동결하는 것은 훨씬 더 어렵습니다. 여러 연구팀이 다양한 온도와 동결보호제(cryoprotectants, 본질적으로 부동액처럼 작용하는 화학 물질)를 탐구해 왔지만, 아직까지 인간 장기를 이식 목적으로 동결하는 데 성공한 사람은 없습니다. 열역학자인 파월 팜은 또 다른 접근 방식을 모색했습니다. 장기를 일정한 압력 하에 잠기게 유지하면, 부작용이 있을 수 있어 인간 이식에 사용하기 전에 승인이 필요한 동결보호제 없이도 섭씨 0도 이하의 온도에서 얼음 결정 형성을 막을 수 있다는 것입니다.

이 이론을 시험하기 위해 파월 팜과 동료들은 정확히 이를 수행하는 장치를 개발했습니다. 이 장치는 본질적으로 투명한 뚜껑이 있는 밀폐형 챔버입니다. 기저부에는 장기의 온도를 모니터링하고 얼음 형성 여부를 확인하는 장치가 있습니다. 장기들은 이식 용도로 보존하기 위해 이미 일반적으로 사용되는 용액에 잠기게 됩니다. 파월 팜은 "저는 항상 이것을 '로우테크 하이사이언스(low-tech high science)'라고 설명합니다. 이 시스템에 작용하는 역학을 이해하는 데 많은 노력이 들어갔지만, 궁극적으로는 상당히 단순합니다."라고 말했습니다.

초냉각 신장 이식 이 장치를 테스트하기 위해 파월 팜과 동료들은 먼저 돼지로부터 단일 신장을 적출했습니다. 이 장기들은 이식 장기와 마찬가지로 혈액을 제거하기 위해 동일하게 널리 쓰이는 용액으로 세척되었습니다. 그런 다음 팀은 인간 이식에 사용되는 표준 조건을 모방하기 위해 일부 신장을 2시간 또는 24시간 동안 얼음 위에 보관했습니다. 또한, 적출된 신장 중 일부를 이 장치에 24시간, 48시간 또는 72시간 동안 넣어두었습니다.

이렇게 보존된 신장은 다시 원래 기증자 돼지에게 이식되었습니다. 각 돼지의 두 번째 신장은 동일한 수술 과정에서 적출되어, 각 동물이 이식받은 신장 하나만 남도록 하였다.

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원문 보기 (영어)
EXECUTIVE SUMMARY When it comes to organ donation, time is everything . As soon as an organ has been carefully removed from a donor’s body, it starts to deteriorate. Surgeons have a matter of hours to get it into a recipient. Leave it too long and the organ will become unusable. In most cases, organs will be kept on ice during that time, at around 4 °C (39 °F). They cannot be frozen—in previous attempts, ice has formed, causing all kinds of damage. Matthew Powell Palm at Texas A&M University and his colleagues have an alternative solution—a device that allows organs to be cooled to -4 °C (25 °F) without forming any ice. Now, in new research with pig organs, his team has shown that kidneys, at least, can be supercooled and preserved in the device for days. Once rewarmed, the organs have been successfully transplanted into animals, and they seem to do better than organs kept on ice. The work represents “a landmark achievement,” says Kevin Myer, president and CEO of LifeGift , an organ procurement organization based in Texas, who was not involved in the research. Cooling organs Powell Palm hopes this approach could ultimately help ease the organ shortage crisis. Today, there are more than 104,000 people waiting for a kidney transplant in the US alone. It is estimated that 17 people die every day in the US while waiting for a transplant. That’s partly due to a lack of donated kidneys, but it’s also because many of those that are available never make it to a recipient. In some years, around one in three donated kidneys end up being discarded , often because they end up too degraded to use by the time they reach a recipient. Kidneys can be stored on ice for around 24 hours or placed in devices that aim to mimic the conditions of the body , also for up to around 24 hours. That’s not always long enough to find a suitable recipient and transport the organ, says Myer. Scientists around the world have been working on ways to store organs for longer by cooling them to even chillier temperatures. Cooling an organ slows its metabolism—the colder you go, the greater the effect, and the longer you can store it. We’ve long been able to successfully cryopreserve eggs, sperm, and embryos, but it’s much harder to freeze large organs. Teams have been exploring various temperatures and cryoprotectants (chemicals that essentially work like antifreeze), but so far no one has been able to freeze human organs for transplantation. As a thermodynamicist, Powell Palm explored another approach. By keeping an organ submerged at a constant pressure, it should be possible to prevent the formation of ice at temperatures a little below 0 °C, without the need for cryoprotectants (which might have side effects and would need to be approved before being used in human transplants). To test this theory, Powell Palm and his colleagues have created a device that does just that. The device itself is essentially a hermetically sealed chamber with a transparent lid. At its base is a device that monitors the organ’s temperature and checks for the formation of ice. Organs are submerged in a solution that is already commonly used to preserve them for transplant. “I always describe this as low-tech high science,” says Powell Palm. “A lot of work has gone into understanding the … kinetics at play in this system, but ultimately … it’s quite simple.” Supercooled kidneys To test their device, Powell Palm and his colleagues first removed single kidneys from pigs. The organs were flushed with the same commonly used solution to remove the blood, just as transplant organs are. The team then kept some kidneys on ice for either two hours or 24 hours, to mimic standard conditions used in human transplantation. They also put some of the removed kidneys in their device for 24, 48, or 72 hours. The stored kidneys were then each transplanted back into the original donor pigs. Each pig’s second kidney was removed in the same procedure, leaving each animal with only the kidney that had been stored, and reimplanted. Once the 24-hour supercooled kidneys were transplanted, they immediately began producing urine—a key indication that they were working. The team members also measured other markers of kidney function and found that the organs appeared to be working normally within about 10 days of being transplanted. That’s slower than kidneys stored on ice for two hours but much quicker than kidneys kept on ice for 24 hours, says Powell Palm. The organs that were kept supercooled for 48 and 72 hours performed similarly, he says. “Even at three days—triple the clinical standard—we’re getting recovery that is faster than … [what has been] the gold standard for the last three decades,” he says. “So we’re really, really pumped about this.” “It is impressive,” says Heidi Yeh, a transplant surgeon at Mass General Brigham for Children, who also researches organ preservation technologies. “Often kidneys that have been stored for 48 hours [in other studies] take a week or two before they start working again.” Organs that grow The supercooled organs seem to work well in the long term, too. Over a 30-day period, the pigs grew by around 30%—and the kidneys grew with them, almost doubling in size to compensate for both the pigs’ growth and the lack of a second kidney. The team monitored one of the pigs for 200 days before removing and analyzing its kidney. Even at that point the organ looked healthy, says Powell Palm. He and his colleagues presented the findings at the American Transplant Congress in Boston last month. Earlier this year, researchers in Canada showed they could also cool pig kidneys to below-zero temperatures and transplant them into pigs. The team’s protocol included the use of a cryoprotectant, and organs were stored for up to 48 hours before being transplanted into pigs. Those organs survived for a week. In supercooling organs for 72 hours and showing that they do well for 30 days or more, Powell Palm and his colleagues have broken new ground. “It’s the first time this has ever been reported in history,” he says. Those extra hours could make all the difference, says Myer of LifeGift. The advance could give doctors more time to evaluate the kidneys, match them to the most suitable donors, and physically get the organs to their intended recipients in time. It could enable international donations and open up cheaper transport options, he adds. “Right now, with kidney transplantation the assumed limit is 18 to 24 hours,” he says. “If we can get up to 72 hours … that would change everything.” Powell Palm and his colleagues think they may even be able to go beyond 72 hours. In preliminary studies, organs that had been stored for up to 120 hours appeared healthy, although those organs have not yet been transplanted. And because the process doesn’t require any cryoprotective chemicals, the team members are hoping for an accelerated approval from the US Food and Drug Administration, which would allow them to test the device in human transplantations. The storage device is simple and compact, so Powell Palm thinks it will be easy to transport. It hasn’t been tested for air travel yet, but it has been used to take supercooled kidneys across the US in the back of a Kia Sorento, he says: “From a stability perspective, we view this as an even higher bar.” Powell Palm and his colleague Sebastian Giwa plan to launch a company dedicated to developing the technology, along with other protocols that “stop biological time,” in the coming months, he says. Deep Dive Biotechnology and health China has approved the world’s first invasive brain-computer chip—here’s what’s next The country wants to become a global leader in brain implants. Strong government support is expected to help accelerate that process. By You Xiaoying archive page The “steroid olympics” were a circus—and a window into our culture Dozens of athletes on performance-enhancing drugs competed in the Enhanced Games. Organizers hope it'll sell a lot of peptides and