"세포에 산소 공급": 강력한 약물 없이 간단한 임플란트로 혈당 수치를 낮추는 데 도움이 됨

제1형 당뇨병 치료를 위한 새로운 "산소" 임플란트가 Nature Communications 에 소개되었습니다. 소형 전기화학 산소 발생기(iEOG)는 인슐린 분비 세포가 있는 거대 캡슐에 지속적으로 산소를 공급합니다. 이 시스템은 분리된 췌도(최대 60,000 IEQ/ml)를 단단하게 고정하고 저산소 환경에서도 생존력과 분비를 유지합니다. 당뇨병 쥐의 경우, 피하 이식된 장치는 면역억제 없이 최대 3개월 동안 정상 혈당을 유지했습니다. 산소를 공급받지 않은 대조군 쥐는 고혈당 상태를 유지했습니다.

배경

• 가장 큰 기술적 문제는 산소입니다. 세포를 막 뒤에 "숨기고" 장치를 피부 아래에 (편리하고 쉽게 추출할 수 있도록) 삽입하면 산소가 부족해집니다. 막과 혈관이 거의 없는 곳을 통한 확산은 "탐식하는" 췌도의 필요를 충족시키지 못합니다. 따라서 조기 사망, 저조한 활동, 그리고 시딩(seeding)을 크게 줄여야 합니다. 그렇지 않으면 캡슐이 거대하게 됩니다.
• 왜 그렇게 육체적으로 어려울까요? 산소는 조직을 매우 짧은 거리만 통과하고, 캡슐화된 세포는 자체 혈관이 없습니다. 처음 몇 달 동안은 수동 확산으로만 살아갑니다. 물질이 두꺼워지거나 세포가 "압축"되면 캡슐 중심부가 빠르게 저산소 상태로 전환됩니다.
• 이전에 무엇을 시도해 보셨나요?
  • 그들은 산소 재충전형 거대 장치(예: βAir)를 개발했습니다. 이 장치는 내부에 매일 산소를 보충하는 저장 장치가 있으며, 전임상 및 초기 임상 시험이 진행되었습니다. 이 장치는 효과가 있지만 환자에게는 노동 집약적입니다.
  • 화학적 O₂ 공여체와 "운반체" 물질(퍼플루오로화합물)이 시도되었습니다. 이들은 효과가 있지만, 효과가 짧고 조절하기 어렵습니다. 겔 두께 내로 O₂ 전달을 가속화하는 "공기" 프레임 또한 등장했습니다.
  • 캡슐 자체와 이식 부위(얇은 막, 혈관 형성 전)는 개선되었지만 외부 O₂ 공급원이 없으면 여전히 세포 밀도 한계에 부딪힙니다.
• 이 새로운 연구는 퍼즐의 어떤 빈틈을 메울까요? 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)의 저자들은 매크로캡슐화 시스템 바로 내부에 있는 소형 발전기에서 산소가 지속적으로 공급되는 것을 보여줍니다. 이 장치는 조직에서 수분을 흡수하고 전기화학적으로 산소를 방출하는데, 이 산소는 세포와 함께 캡슐을 따라 고르게 "호흡"합니다. 이 아이디어는 캡슐에 "자체 수족관 압축기"를 제공하여 더 많은 세포를 채우면서도 피하처럼 "산소 공급이 부족한" 곳에서도 세포가 살아있고 활동할 수 있도록 하는 것입니다.

이게 왜 필요한 걸까요?

췌도세포 또는 베타세포 이식은 제1형 당뇨병의 "기능적 완치"를 위한 가장 유망한 방법 중 하나입니다. 하지만 두 가지 주요 장벽이 있습니다.

1. 면역 - 일반적으로 평생 면역억제제를 필요로 함
2. 산소 결핍 - 면역 체계를 보호하는 캡슐이 혈관에서 세포를 동시에 차단하고, 산소를 탐식하는 베타 세포는 빠르게 "질식"합니다. 이 새로운 연구는 두 번째 장벽에 부딪힙니다. 캡슐에 자체적으로 조절 가능한 산소 공급원을 제공하는 것입니다.

임플란트 작동 원리

• 두 부분으로 구성됩니다. 티타늄 케이스 안에는 소형 산소 발생기(iEOG)가 있는데, 이는 간질액에서 물을 추출하고 전기분해를 통해 산소(O₂)를 방출합니다. 그 옆에는 세포들이 있는 가늘고 선형의 캡슐(긴 "소시지" 모양)이 있는데, 이 캡슐을 통해 기체 투과성 튜브가 통과합니다. 산소는 캡슐 전체에 고르게 흡수됩니다. 세포와 조직 사이에는 반투과성 막(일렉트로스핀 + 알긴산염)이 있는데, 포도당과 인슐린은 통과하지만 면역 세포는 통과하지 못합니다.
• 크기: iEOG 두 번째 버전은 직경 13mm, 두께 3.1mm이며 무게는 약 2g입니다. 캡슐과 함께 사용하면 작은 절개만으로 삽입 및 제거가 가능하여 안전성이 매우 높습니다.
• 생산성. 이 생성기는 시간당 약 1.9~2.3 cm³의 O₂를 생성하며, 수개월, 심지어 수년 동안(식염수 장기 실험에서 최대 2.5년까지) 지정된 유량을 유지했습니다. 쥐에 이식한 후에도 이 수준이 유지되었습니다. 이러한 유량은 수십만 개의 췌도 당량에 해당하는 양을 충당할 수 있도록 계산되었으며, 이는 사람이 필요로 하는 양과 맞먹는 수준입니다.

실험 결과

• 시험관 내: 1% O₂(심각한 저산소증)에서 산소 공급은 INS-1 응집체와 매우 밀집된 층(60,000 IEQ/mL)에 밀집된 인간 췌도의 생존력과 분비를 유지했습니다.
• 생체 내(랫드). 동종이형 당뇨병 모델에 피하 이식 후, iEOG 시스템은 면역억제 없이 최대 3개월 동안 혈당을 정상화했습니다. 산소가 없는 장치는 효과가 없었습니다. 발전기 주변의 조직학적 검사에서 유의미한 부작용은 관찰되지 않았습니다.

이것이 클리닉에 왜 중요한가요?

• "현실적인 크기"를 향한 한 걸음. 성인에게 30만~77만 IEQ의 선량을 공급하려면 캡슐을 단단히 밀봉해야 하는데, 이는 산소에 의해 항상 제한되어 왔습니다. 산소 공급을 조절함으로써 밀도의 "한계"를 없애고 실제 이식에 적합할 만큼 장치를 소형화할 수 있습니다.
• 편리함까지 더해졌죠. 이전에는 화학적 산소 공급기(과산화물)를 사용해 봤는데, 효과가 오래 지속되지 않고 조절도 어려웠습니다. 피부를 통해 매일 "충전"해야 하는 산소 저장소도 있었는데, 번거롭고 불편했습니다. 하지만 이 제품은 주사 없이 일정량씩 지속적으로 산소를 공급합니다.

인상적인 기술적 세부 사항

• 물의 공급원은 조직입니다. iEOG는 다공성 "창"을 통해 간극 유체의 증기를 흡입한 다음, 고전적인 막-전극 어셈블리(MEA)와 1.4~1.8V의 전압을 사용하여 물을 H₂와 O₂로 분리합니다. 가스는 다양한 채널을 통해 제거됩니다.
• 내구성. 식염수에 담긴 세 개의 장치는 산소 흐름에 의한 성능 저하 없이 직류에서 11개월, 2년, 2.5년 동안 작동했습니다. 면역결핍 및 면역적격 쥐에 이식한 후에도 성능이 유지되었습니다.

제한 사항 및 "다음 단계"

아직 임상 전 단계입니다. 쥐, 캡슐 내 고밀도, 산소 공급 - 모든 것이 괜찮지만 중요한 테스트가 앞으로 필요합니다.

• 인간의 복용량과 시간대에 맞춰 확장 가능
• 수년간 인체 내 전기화학 장치의 신뢰성과 전원 공급(전원 공급 구조는 기사에 자세히 설명되지 않음)
• 캡슐 주변의 섬유증 최소화 및 확산 안정성
• 베타 줄기세포와 인간에 더 가까운 모델을 대상으로 실험을 진행했습니다. 저자들은 자신들의 솔루션을 기존 접근 방식과 공개적으로 비교하며, 임상적으로 번역 가능한 캡슐을 위한 플랫폼으로 제시했습니다.

결론

이식된 베타 세포가 면역억제제 없이 생존하고 기능하려면 호흡이 필요합니다. 코넬 대학 연구팀은 선형 캡슐에 내장된 소형 산소 발생기가 세포에 산소를 충분히 오랫동안 고르게 "공급"하여 고밀도 환경을 견뎌내고 피하 조직에서도 당을 줄일 수 있음을 보여주었습니다. 임상 시험은 아직 멀었지만, 공학적 원리는 간단하고 아름답습니다. 바로 세포에 부족한 공기를 공급하는 것입니다.