KR101404369B1

KR101404369B1 - 심장 허혈 및 재관류에 따른 실시간 생체신호 측정 장치

Info

Publication number: KR101404369B1
Application number: KR1020120089089A
Authority: KR
Inventors: 박헌국; 이기자; 김옥균; 강성욱
Original assignee: 경희대학교 산학협력단
Priority date: 2012-08-14
Filing date: 2012-08-14
Publication date: 2014-06-09
Also published as: US20150309013A1; KR20140022662A; WO2014027820A1; EP2886048A1; EP2886048A4

Abstract

본 발명은 심장 허혈 및 재관류에 대한 실시간 생체신호 측정 장치를 공개한다. 이 장치는 관류액을 저장하는 용액 저장소로부터 상기 관류액을 펌핑하는 연동 펌프; 상기 펌핑되는 관류액을 임시 보관하는 용액 챔버 및 상기 용액 저장소 사이에서 양측의 맥동을 상쇄시키는 압력 트랩; 상기 임시 보관된 관류액을 인가받아 관류액의 열을 교환하는 열 교환기; 일측에서 상기 열이 교환된 관류액을 인가받아 필터링하여 타측에 연결된 적출된 심장에 전달하는 버블 트랩; 심장 허혈의 재관류 동안 상기 적출된 심장의 기체 농도 값을 실시간으로 검출하는 센서부; 상기 검출된 기체 농도 값을 인가받아 상기 적출된 심장의 심근 손상 정도와의 상관관계를 분석하는 제어부;를 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

심장 허혈 및 재관류에 따른 실시간 생체신호 측정 장치{A real-time bio-signal measurement device for cardiac ischemia - reperfusion}

본 발명은 실시간 생체신호 측정 장치에 관한 것으로서, 특히 심장의 허혈-재관류 손상에 의한 심근 생존 능력 및 혈관기능 평가를 하는데 있어서 중요한, 심근 내 신호 전달 가스 물질과 산소 농도를 실시간으로 정확하게 측정할 수 있는 심장 허혈 및 재관류에 대한 실시간 생체신호 측정 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 급성 심근 경색은 질병의 임상 관리의 개선에도 불구하고 선진국에서 병적 상태 및 사망의 주요 원인 중 하나로, 발병 즉시 40%가 사망에 이르는 매우 심각한 질병이다.

심근 경색은 심장 근육에 산소와 영양분을 공급하는 혈관이 막혀 심근이 괴사하는 것으로, 가능한 빠른 시간에 재관류를 시행하여 산소와 영양분이 재공급되는 것이 중요하다.

하지만 재관류 자체도 손상을 야기하는 것으로 알려져 있고, 활성산소 종(reactive oxygen species, ROS)이 이러한 재관류 손상(reperfusion injury)의 주 원인 중의 하나이며, 이는 심장 허혈-재관류(ischemia-reperfusion, IR)를 포함하는 병리학적 조건 하에 미토콘드리아 호흡 체인이 주된 원천이다.

특히, 일산화질소(nitric oxide, NO)는 다양한 병태생리학적 과정을 조절하면서 심혈관계에서 중요한 역할을 담당하고 있으며 특히 혈관 항상성 조절에 관여하고, 일반적으로 허혈성 세포사멸에 대해 보호 효과를 가지는 것으로 알려져 있다.

일산화질소는 산화 스트레스(oxidative stress), 사이토카인(cytokine) 방출을 억제할 뿐 아니라 구조성(constitutive) 산화질소 합성효소(nitric oxide synthase, NOS)에 의하여 합성되는 소량의 일산화질소는 관상동맥의 혈류를 조절하고, 혈전 응고와 내피 부착을 억제시키며, 심근의 산소소모량을 조절하는 것으로 알려져 있다.

그러므로 내인성으로 생성되는 일산화질소의 농도에 대한 정확한 측정은 일산화질소의 생물학적 역할과 신호 전달 과정을 이해하는데 반드시 필요하다. 하지만 일산화질소는 생체 내에서 나노 몰 정도의 미세 농도로 존재하고 2~6초 정도의 매우 짧은 반감기를 가지며, 자유 라디칼(free radical), 과산화물(peroxides), 산소 등과 같은 많은 내인성 물질들과 반응성이 매우 강하여 일산화질소의 농도를 시간적, 공간적 해상도를 가지고 정확히 측정하는데 한계가 있었다.

최근 일부 연구에 의하면, 재관류 동안에 심근으로 운반되는 산소의 양은 허혈 후 심장 부전 및 허혈-재관류 손상의 중요한 결정 인자임이 보고되었다. 이와 같이, 심장이 정상적으로 작동하기 위해서는 심근의 상태가 매우 중요하므로, 허혈 후 심근 내 산소 농도에 대한 정확한 측정은 허혈-재관류 손상에 의한 심근 생존 능력 및 기능의 평가를 위해서 매우 중요하다.

이를 위하여 종래에 실험용 설치류의 심근에서 산소 소비량을 측정하기 위하여 재관류되는 심장으로 유입 및 유출되는 유체가 사용되었는데, 이 방법은 비흐름(no-flow) 허혈 동안에는 산소 농도의 실시간 변화를 측정하고, 산소 전달이나 신진 대사 활동에 있어서 조직 이질성(heterogeneity)을 계산하는 것이 불가능한 문제점이 있었다.

또한, 미립자 스핀 프로브와 횡격막 전기 자극 호흡(EPR) 기반 산소 측정법은 심근 산소 소비량을 측정하는데 매우 민감하게 작동할 수 하지만, 수 mmHg 이하에서 수백 mmHg의 농도범위에서 산소의 변화를 연속적으로 실시간 측정하는 것은 불가능하다는 한계가 있었다.

본 발명의 목적은 적출된 실험 쥐 심장의 살아있는 심장 상태를 유지하고, 심장 허혈 유발과 재관류가 정상적으로 이루어지는지 산소센서를 통해 확인하면서 허혈시 심근 내 내인성으로 발생되는 혈관내피 의존성 혈관이완 가스물질의 변화량을 센서로 측정하고, 재관류시 심근의 재산소화 정도를 정량적으로 분석하여 손상 정도를 평가할 수 있는 심장 허혈 및 재관류에 대한 실시간 생체신호 측정 장치를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 심장 허혈 및 재관류에 대한 실시간 생체신호 측정 장치는 관류액을 저장하는 용액 저장소로부터 상기 관류액을 펌핑하는 연동 펌프; 상기 펌핑되는 관류액을 임시 보관하는 용액 챔버 및 상기 용액 저장소 사이에서 양측의 맥동을 상쇄시키는 압력 트랩; 상기 임시 보관된 관류액을 인가받아 관류액의 열을 교환하는 열 교환기; 일측에서 상기 열이 교환된 관류액을 인가받아 필터링하여 타측에 연결된 적출된 심장에 전달하는 버블 트랩; 심장 허혈의 재관류 동안 상기 적출된 심장의 기체 농도 값을 실시간으로 검출하는 센서부; 상기 검출된 기체 농도 값을 인가받아 상기 적출된 심장의 심근 손상 정도와의 상관관계를 분석하는 제어부;를 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 심장 허혈 및 재관류에 대한 실시간 생체신호 측정 장치는, 상기 제어부가 상기 허혈 유발 후 일정 시간의 재관류 후 회복되는 산소 농도 및 상기 재관류시 최대 산소 농도를 통해 상기 상관관계를 분석하는 것 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 심장 허혈 및 재관류에 대한 실시간 생체신호 측정 장치는, 상기 심근 손상 정도가 상기 허혈 시간의 변화에 따른 상기 적출된 심장의 심장 경색의 크기를 통하여 평가되는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 심장 허혈 및 재관류에 대한 실시간 생체신호 측정 장치는, 상기 심장 경색의 크기가 TTC(triphenyltetrazolium chloride)의 염색법에 의해 위험 영역의 백분율로 표시되는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 심장 허혈 및 재관류에 대한 실시간 생체신호 측정 장치는, 상기 일정 시간이 55 내지 65 분인 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 심장 허혈 및 재관류에 대한 실시간 생체신호 측정 장치는, 상기 센서부가 상기 적출된 심장의 산소 농도를 실시간으로 검출하는 산소 센서; 상기 적출된 심장의 일산화질소 농도를 실시간으로 검출하는 일산화질소 센서; 상기 적출된 심장의 일산화탄소 농도를 실시간으로 검출하는 일산화탄소 센서; 및 상기 적출된 심장의 황화수소 농도를 실시간으로 검출하는 황화수소 센서; 중 어느 하나 이상을 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 심장 허혈 및 재관류에 대한 실시간 생체신호 측정 장치는, 상기 센서부가 상기 산소 센서를 통하여 상기 심장 허혈 유발시 감소하는 산소 농도와 상기 재관류 후 회복되는 산소 농도 및 상기 재관류시 최대 산소 농도를 측정하고, 상기 일산화질소 센서를 통하여 상기 심장 허혈 유발 기간 동안 상기 일산화질소 농도 변화 및 상기 허혈 유발과 상기 재관류시 상기 일산화질소의 최대 농도 증가량 및 감소량을 측정하여 상기 기체 농도 값을 검출하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 심장 허혈 및 재관류에 대한 실시간 생체신호 측정 장치는, 상기 생체신호 측정 장치가 상기 센서부에 일정 전위를 공급하고 전류변화를 측정하는 일정 전위기를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 심장 허혈 및 재관류에 대한 실시간 생체신호 측정 장치는, 상기 열 교환기가 상기 적출된 심장의 대동맥 연결부위 직전에 접촉되는 열전쌍; 및 상기 적출된 심장으로 유입되는 관류액의 온도를 일정 온도로 유지하는 온도 제어기를 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 심장 허혈 및 재관류에 대한 실시간 생체신호 측정 장치는, 상기 일정 온도가 35 내지 39 ℃인 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 심장 허혈 및 재관류에 대한 실시간 생체신호 측정 장치는, 상기 용액 챔버가 상기 적출된 심장과 일정 높이를 유지하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 심장 허혈 및 재관류에 대한 실시간 생체신호 측정 장치는, 상기 일정 높이가 85 내지 95 cm인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의할 경우, 양측의 맥동을 상쇄시키는 압력 트랩을 통하여 적출된 심장의 심근에 산소와 영양분을 공급할 심혈관 쪽으로 보내기 위한 관류액의 압력을 일정하게 유지할 수 있다.

또한, 동작 전위가 낮고 민감도가 높은 산소 센서를 통하여 심근 내 산소 농도의 지속적인 실시간 측정이 가능하다.

또한, 감도가 높고 선택성이 뛰어난 신호 전달 가스 센서를 통하여 심근 내 신호 전달 가스의 변화량에 대해 지속적인 실시간 측정이 가능하다.

또한, 심장 허혈-재관류 손상 정도와, 적출된 심장의 기체 농도 값과의 상관관계를 정확하게 분석할 수 있고, 손상에 대해 내인성 방어기전을 강화할 수 있는 다양한 보호 약물들을 평가 및 선정하는데 유용하게 활용될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 심장 허혈 및 재관류에 대한 실시간 생체신호 측정 장치의 구성도 및 일부 확대도이다.
도 2는 본 발명에 따른 허혈성 시간에 따라 심장 허혈의 재관류 동안 산소 농도(pO₂) 응답의 대표적인 패턴에 대한 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 실험 프로토콜에 걸쳐 산소 농도의 변화에 대하여 제안된 분석 매개 변수의 정의에 대한 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 허혈 시간에 따라 전-허혈 레벨의 백분율로서 재관류 동안 산소 농도의 최대 및 복원 레벨을 나타내는 Box-and-Whisker 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따라 허혈 시간의 변화에 따른 실험쥐의 심장 경색의 크기를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따라 허혈 시간의 변화에 따라 심장 경색의 크기가 변화되는 실험쥐의 심장을 비교한 사진이다.
도 7은 본 발명에 따른 허혈 후 심근의 재산소화(reoxygenation) 매개 변수와 허혈-재관류 손상의 심각도 사이의 상관 관계를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명에 따라 30분의 허혈과 60분간의 재관류시 실험쥐의 심근 내에서 측정된 일산화질소와 산소의 변화를 동시 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명에 따른 심장 허혈 및 재관류에 대한 실시간 생체신호 측정 장치의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 심장 허혈 및 재관류에 대한 실시간 생체신호 측정 장치의 구성도 및 일부 확대도로서, 용액 저장소(100), 연동 펌프(200), 용액 챔버(300), 압력 트랩(400), 열 교환기(500), 버블 트랩(600), 센서부(700), 일정 전위기(800) 및 제어부(900)를 구비하고, 센서부(700)는 산소 센서(720), 일산화질소 센서(740) 를 구비한다.

도 4는 본 발명에 따라 허혈 시간의 변화에 따른 실험쥐의 심근경색 부위의 크기를 나타낸 그래프이다.

도 1을 참조하여 본 발명에 따른 심장 허혈 및 재관류에 대한 실시간 생체신호 측정 장치의 각 구성 요소의 기능을 설명하면 다음과 같다.

용액 저장소(100)는 관류액을 저장하는데, 관류액은 95 % 산소와 5 % 이산화탄소가 용해되어 있는 K-H(Krebs-Henseleit) 용액을 사용한다.

연동 펌프(200)는 용액 저장소(100)로부터 관류액을 펌핑하여 용액 챔버(300)로 전달한다.

용액 챔버(300)는 적출된 심장(50)과 일정 높이를 유지하면서 펌핑되는 관류액을 임시 보관한다.

압력 트랩(400)은 용액 챔버(300) 및 용액 저장소(100) 사이에서 양측의 맥동을 상쇄시킨다.

열 교환기(500)는 일측에서 용액 챔버(300)로부터 임시 보관된 관류액을 인가받아 관류액의 열을 교환하여 관류액의 온도를 일정하게 유지한다.

버블 트랩(600)은 일측에서 열교환기 (500)을 통과하여 전달된 관류액을 인가받아 필터링하여 타측에 연결된 적출된 심장(50)에 전달한다.

센서부(700)는 심장 허혈의 재관류 동안 적출된 심장(50)의 기체 농도 값을 실시간으로 검출한다. 즉, 산소 센서(720)는 적출된 심장(50)의 산소 농도를, 일산화질소 센서는 적출된 심장(50)의 일산화질소 농도를 실시간으로 검출한다.

이때, 센서부(700)는 산소 센서(720) 및 일산화질소 센서(740) 외에 일산화탄소 센서, 황화수소 센서 등을 복수개로 구비할 수 있다.

일정 전위기(800)는 센서부(700)에 일정 전위를 공급하고 그에 따른 전류변화 를 측정한다.

제어부(900)는 검출된 기체 농도의 변화를 실시간으로 관찰하고, 기체 농도 변화를 인가받아 적출된 심장(50)의 심근 손상 정도와의 상관관계를 분석한다. 즉, 허혈 유발 후 일정 시간의 재관류 후 회복되는 산소 농도 및 재관류시 최대 산소 농도를 통해 검출된 기체 농도 값과 적출된 심장(50)의 심근 손상 정도와의 상관관계를 분석한다.

도 1 및 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 심장 허혈 및 재관류에 대한 실시간 생체신호 측정 장치의 동작을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 이중 재킷 형태의 용액 저장소(100)와 열 교환기(500)를 이용하여 심장(50)으로 들어가는 대동맥 연결부위 직전에 열전쌍(thermocouple)을 접촉시키고 자체 제작된 온도 제어기를 이용하여 심장(50)으로 들어가는 관류액의 온도를 35 내지 39 ℃, 바람직하게는 37 ℃로 유지한다.

이는 실험을 최적화하기 위한 실험쥐의 정상 체온으로서, 만일 관류액의 온도가 35 ℃ 미만이 되면 저 체온증으로 적출된 실험쥐의 심장이 괴사될 가능성이 있고, 39 ℃ 초과가 되면 단백질의 변성 또는 세포의 손상을 초래할 수 있다.

또한, 심근에 산소와 영양분을 공급할 심혈관 쪽으로 관류액을 보내기 위하여 용액 챔버(300)를 적출된 심장과 일정 높이인 85 내지 95 cm, 바람직하게는 90cm를 유지시키고 압력 트랩(400)을 이용하여 일정 관류압인 60 내지 70 mmHg, 바람직하게는 65 mmHg를 유지한다.

이는 만일 상기 높이가 85 cm 미만이 되면 판막을 저칠 수가 없어 관류액이 심혈관 쪽으로 전달되지 않을 가능성이 있고, 95 cm 초과가 되면 관류액이 심혈관 쪽이 아닌 심방쪽으로 전달될 가능성이 있기 때문이다.

이때, 연동 펌프(200)는 관류액을 저장하는 용액 저장소(100)로부터 관류액을 펌핑하고, 압력 트랩(400)은 펌핑되는 관류액을 임시 보관하는 용액 챔버(300)에서의 맥동과 용액 저장소(100)에서의 맥동을 상쇄시킨다.

이와 같이 적출심장관류 장치를 정상적으로 작동시킨 후, 실험 쥐의 심장(50)을 적출하여 버블 트랩(600) 하단의 대동맥 캐뉼라 (aortic cannula)에 연결한 후 약 10분간 안정화 시킨 후 관류속도 (flow rate, ml/min)를 측정하여 10 내지 28 ml/min 범위로서 정상적인 심장 상태를 확인한다.

확인결과, 정상적 기능을 유지하는 심장(50)에 대하여 센서부(700)를 심근 내 삽입 또는 접촉시킨 상태에서 관류액의 공급을 차단함으로써 허혈을 유발하기 전까지 약 30분 정도 측정하고자 하는 기체 농도에 상응하는 전류 신호를 안정화시킨다.

이후, 열 교환기(500) 하단의 밸브를 이용하여 연속적으로 공급되는 관류액을 차단함으로써 허혈을 유발하며, 일정시간 허혈 상태를 유지한 후 다시 밸브를 열어 관류액을 개통시켜 준다.

이때, 산소 센서(720)를 이용하여 허혈 유발시 산소 농도가 ‘0’으로 감소하는 것을 확인하고, 제어부(900)는 허혈 유발 후 1시간의 재관류 후 회복되는 산소 농도 및 재관류시 최대 산소 농도를 통해 심근 손상 정도와의 상관관계를 분석한다.

또한, 일산화질소 센서(740)를 이용하여 허혈 유발 기간 동안 일산화질소 농도의 변화를 실시간으로 관찰하고, 제어부(900)는 허혈 유발과 재관류시 일산화질소의 최대 농도 증가량과 감소량을 통해 심근 손상 정도와의 상관관계를 분석한다.

이때, 산소 센서(720) 및 일산화질소 센서(740)는 기체 투과성 막으로 처리된 미소 센서 (microsensor) 및 코일형 Ag/AgCl 기준 전극을 사용하여 제작된다.

산소 센서(720)는 작동 전극의 큰 효율의 영역, 낮은 동작 전위(-0.4 V) 및 기체 투과성 막에 의해 야기되어 민감도가 높고, 심근 내 산소 농도의 지속적인 실시간 측정이 가능하다.

또한, 일산화질소 센서(740)는 작동 전극 표면처리와 일산화질소 투과성 막에 의해 민감도가 높고 일산화질소에 대한 선택성이 뛰어나며, 심근 내 일산화질소의 농도변화에 대해 지속적인 실시간 측정이 가능하다.

실험 쥐 심장(50)의 허혈 및 재관류의 유도

도 1에서 보는 바와 같이, 실험 쥐의 심장(50)은 대동맥의 캐뉼레이션(cannulation)을 통해 본 발명의 생체신호 측정 장치에 연결되어 70 mmHg의 지속적인 관류 압력에서 K-H 버퍼 용액에 의해 관류된다.

이때, 관류액은 5.0 μm 미소 필터(microfilter)를 통해 필터링되고 37 ℃에서 95 % 산소와 5 % 이산화탄소와 함께 버블되어 pH 7.4 를 얻는다.

또한, 물 순환을 통한 이중 재킷 저장소와 열교환기를 통해 37 ℃를 유지하고 연동 펌프(200)를 통해 전체 장치에 순환시킨다.

실험 쥐 심장(50)의 허혈 및 재관류 동안 심근내 산소 농도의 측정

기체 투과성 막으로 처리된 산소 센서(720)가 적출된 실험쥐 심장(50) 좌심실의 심근 중간에 삽입되어 전류는 허혈 유도 전 30 분 동안 기준선에서 안정된다.

허혈은 연속적 관류의 중지에 의해 시작되고 허혈 유도 후 재관류는 55 내지 65 분, 바람직하게는 60 분 동안 수행된다.

실험 쥐의 심장(50)은 허혈 시간에 따라 다섯 그룹으로 나누어 지는데, 대조군(0 분), 제1 실험군(10 분), 제2 실험군(20 분), 제3 실험군(30 분) 및 제4 실험군(40 분)으로 분류되고, 재관류(reperfusion)는 허혈 유도 후 60 분 동안 실시된다.

허혈 유발 후 재관류시 심근 내 산소의 변화

일정시간 허혈 후 재관류된 심근에서의 산소 농도(pO₂)의 변화를 조사하기 위해, 농도에 따른 전류 변화로 보정된 산소 센서(720)를 활용하여 실험 쥐의 심장(50)에서 산소에 의한 전류 변화를 실시간으로 모니터링 하였다. 먼저, 130 분 연속적인 관류 동안 산소 센서(720)를 통해 측정된 전류의 변화는 없다.

하지만, 허혈이 시작되자마자 산소 농도(pO₂)는 빠른 속도로 제로 레벨로 감소하고, 허혈 유발이 진행되는 동안 유지된다. 재관류가 시작되었을 때, 산소 농도(pO₂)의 변화는 허혈 유발 시간에 의존한다.

도 2는 본 발명에 따른 허혈 유발 시간에 따라 재관류 시 산소 농도(pO₂) 응답의 대표적인 패턴에 대한 그래프로서, (A)는 제1 실험군(10 분), (B)는 제2 실험군(20 분), (C)는 제3 실험군(30 분), (D)는 제4 실험군(40 분)을 나타낸다.

도 3은 본 발명에 따른 실험 프로토콜에 걸쳐 산소 농도의 변화에 대하여 제안된 분석 매개 변수의 정의에 대한 그래프로서, 제1 내지 제4 실험군의 재관류 개시 후 산소 농도(pO₂)의 변화를 효율적으로 분석하기 위한 산소 농도(pO₂) 역학 9가지 파라미터를 나타낸다.

이러한 매개 변수의 정의 및 허혈 유발 시간에 따른 실험 쥐의 심장 허혈-재관류시 심근 내 산소 농도 변화는 다음의 표 1 및 표 2와 같다.

표 1은 본 발명에 따른 심장 허혈 및 재관류에 대한 실시간 생체신호 측정 장치에서 사용되는 산소 농도(pO₂) 의 변화 및 산소 동적 시간을 나타내는 매개 변수들의 정의를 나타낸다.

표 2는 본 발명에 따른 심장 허혈 및 재관류에 대한 실시간 생체신호 측정 장치에서 허혈 유발 시간의 변화에 따른 산소 농도(pO₂) 및 산소 동적 시간의 변화를 나타낸다.

표 2에서 보는 바와 같이, 허혈의 발생 후 허혈성 정체기는 제1 실험군의 경우 79 ± 42 초, 제2 실험군의 경우 87 ± 37 초, 제3 실험군의 경우 158 ± 138 초, 제4 실험군의 경우 49 ± 35 초 이내에 각각 달성되었다.

또한, 허혈성 정체기에 도달하는 시간(Ti-plat) 및 % 산소 농도(pO₂) 값은 실험군 간에 의미있는 차이가 나타나지 않았다.

반면, 재관류가 시작되자마자 제1 및 제2 실험군의 경우 산소 농도(pO₂) 값이 허혈 유발 전 수준으로 증가했으나, 제3 실험군의 경우 산소 농도(pO₂) 값이 2,714 ± 1,252 초까지 증가하고, 제4 실험군의 경우 산소 농도(pO₂) 값이 재관류 기간 내내 증가하지 않았다.

또한, % 산소 농도(pO₂) rep-max 값은 제1 실험군의 경우 187.83 ± 26.79, 제2 실험군의 경우 120.15 ± 23.83, 제3 실험군의 경우 12.54 ± 10.62, 제4 실험군의 경우 1.24 ± 1.09 이었다. 재관류의 60 분 후, % 산소 농도(pO₂) repress 값은 제1 실험군의 경우 129.46 ± 29.84, 제2 실험군의 경우 87.76 ± 3.90, 제3 실험군의 경우 3.40 ± 4.82, 제4 실험군의 경우 0.99 ± 0.94 이었다.

도 4는 본 발명에 따른 허혈 유발 시간에 따라 허혈 전 레벨의 백분율로서 재관류 동안 산소 농도의 최대 및 복원 레벨을 나타내는 Box-and-Whisker 그래프이다.

도 4에서 보는 바와 같이, 재관류 후의 제3 및 제4 실험군의 산소 농도(pO₂) 최대 및 복원값은 허혈 유발 전 값보다 작고, 제4 실험군의 산소 농도(pO₂) 값은 전혀 복원되지 않았다.

요컨대, 허혈이 20 분 이내에 종료될 경우, 심근에서의 산소 농도(pO₂)는 재관류 발생 후에 증가하고 허혈 유발 전 레벨을 복원하나, 허혈 시간이 30 분을 초과하는 경우, 심근에서의 산소 농도(pO₂)는 허혈 유발 전 상태로 복원되지 않았다.

이와 같은 결과는 허혈 시간이 30 분을 초과하여 지속하는 것은 장기로 공급되는 영양분의 감소 및 재관류 기간 중 미소 순환(microcirculation)의 장애를 초래하는 것을 보여준다.

허혈 유발 시간에 따른 심근 내 경색 크기의 변화

도 5는 본 발명에 따라 허혈 유발 시간의 변화에 따른 실험쥐의 심장 경색의 크기를 나타낸 그래프이다.

도 6은 본 발명에 따라 허혈 시간의 변화에 따라 심장 경색의 크기가 변화되는 실험쥐의 심장(50)을 비교한 사진으로서, (A)는 정상인 경우이고, 허혈 시간이 (B)는 10 분, (C)는 20 분, (D)는 30 분, (E)는 40 분인 경우이다.

심근 경색의 크기는 TTC(triphenyltetrazolium chloride)의 염색법에 의해 결정되는데, 재관류의 1 시간 후, 경색의 크기는 TTC로 염색하는 것에 의해 평가되고, 심근 경색은 위험 영역의 백분율로 표시된다

도 5에서 보는 바와 같이, 제3 및 제4 실험군의 경색 크기는 각각 41.96 ± 6.23 % 및 43.02 ± 5.46 %로서 22.57 ± 6.41 %인 제1 실험군 및 25.16 ±5.08 %인 제2 실험군에 비해 상당히 큰 값이나, 제3 및 제4 실험군 간의 경색 크기의 차이는 없었다.

도 7은 본 발명에 따른 허혈 유발 후 심근의 재산소화(reoxygenation) 매개 변수와 허혈-재관류 손상의 심각도 사이의 상관 관계를 나타내는 그래프이다.

도 7에서 보는 바와 같이, 허혈 유발 후 심근의 산소 농도(pO₂)의 최대 및 복원 값이 경색의 크기와 밀접한 관련이 있음을 알 수 있다.

즉, 초기 미소 순환 장애는 허혈 유발 후 조직 손상과 상호 관련이 있고, 심실세동과 함께 진행되는 재관류에서 공급되는 산소는 빠른 속도의 산화적 인산화 (oxidative phosphorylation) 또는 부정맥 관련 관류 션트 때문에 완전히 소모된다.

또한, 일단 부정맥이 종료되면, 심장의 산소화는 정상화되고 수축성 기능도 돌아온다.

따라서, 허혈 후 심근의 재산소화의 정도는 IR 손상, 심근의 생존 능력 및 허혈 후 심장 기능 장애의 중요한 지수임을 알 수 있다.

심장 허혈-재관류시 심근 내 산소와 일산화질소의 변화 실시간 동시측정

도 8은 본 발명에 따라 30분의 심장 허혈과 60분간의 재관류시 실험쥐의 심근 내에서 측정된 일산화질소와 산소의 변화를 동시 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.

도 8에서 보는 바와 같이, 허혈 유발 직후 산소량은 급격히 감소하여 거의 제로 레벨에 이른 후 그 상태를 허혈 내내 유지하는 반면, 일산화질소는 서서히 감소하다가 약 200~300 초 후부터 점차적으로 증가되었다가, 약 900 초 경에 다시 감소하는 경향을 보였다.

또한, 재관류시 일산화질소는 급격히 증가한 후 서서히 감소하는 반면, 산소의 경우 재관류 시행 후 약 2000 초 뒤에야 조금 증가하는 경향을 보였다.

이는 허혈시 일산화질소 합성효소의 발현 변화로 설명 가능하다. 허혈 유발시 내피성 산화질소 합성효소의 활성이 수 분내에 증가하여 허혈 초기에 일산화질소 양은 계속적으로 증가하지만 허혈이 지속되게 되면 조직 산화(acidosis)가 일어나 내피성 산화질소 합성효소의 활성을 저하시켜 일산화질소 농도가 감소하게 된다.

따라서, 일산화질소의 합성에는 산소가 밀접하게 관련되어 있으므로, 허혈시 내인성으로 발생하는 일산화질소의 양과 재관류시 산소 농도의 회복 정도간의 상관관계를 살핌으로써 내인성 일산화질소의 변화와 심근보호 효과와의 연관성을 밝히는데 중요한 기반이 될 수 있다.

이와 같이 본 발명에 따른 심장 허혈 및 재관류에 대한 실시간 생체신호 측정 장치를 이용하여 살아있는 심장 상태를 유지하고, 심장 허혈 유발과 재관류가 정상적으로 이루어지는지 산소센서를 통해 확인하면서 허혈시 심근 내 내인성으로 발생되는 혈관내피 의존성 혈관이완 가스물질의 변화량을 측정함으로써 동작 전위는 낮고 민감도가 높은 산소 센서와 고감도와 고선택성의 일산화질소 센서를 통하여 심근 내 산소 및 일산화질소 농도의 지속적인 실시간 측정이 가능하다.

또한, 심근허혈 유발 재관류 손상에서 적출된 심장의 신호 전달 기체 농도 값과의 상관관계를 정확하게 분석할 수 있고, 손상에 대해 내인성 방어기전을 강화할 수 있는 다양한 보호 약물들을 평가 및 선정하는데 유용하게 활용될 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100: 용액 저장소
200: 연동 펌프
300: 용액 챔버
400: 압력 트랩
500: 열 교환기
600: 버블 트랩
700: 센서부
720: 산소 센서
740: 일산화질소 센서
800: 일정 전위기
900: 제어부

Claims

관류액을 저장하는 용액 저장소로부터 상기 관류액을 펌핑하는 연동 펌프;
상기 펌핑되는 관류액을 임시 보관하는 용액 챔버 및 상기 용액 저장소 사이에서 양측의 맥동을 상쇄시키는 압력 트랩;
상기 임시 보관된 관류액을 인가받아 관류액의 열을 교환하는 열 교환기;
일측에서 상기 열이 교환된 관류액을 인가받아 필터링하여 타측에 연결된 적출된 심장에 전달하는 버블 트랩;
심장 허혈의 재관류 동안 상기 적출된 심장의 기체 농도 값을 실시간으로 검출하는 센서부; 및
상기 검출된 기체 농도 값을 인가받아 상기 적출된 심장의 심근 손상 정도와의 상관관계를 분석하는 제어부;
를 구비하고,
상기 제어부는
상기 허혈 유발 후 일정 시간의 재관류 후 회복되는 산소 농도 및 상기 재관류시 최대 산소 농도를 통해 상기 상관관계를 분석하는 것을 특징으로 하는,
심장 허혈 및 재관류에 대한 실시간 생체신호 측정 장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 심근 손상 정도는
상기 허혈 시간의 변화에 따른 상기 적출된 심장의 심장 경색의 크기를 통하여 평가되는 것을 특징으로 하는,
심장 허혈 및 재관류에 대한 실시간 생체신호 측정 장치.
제3항에 있어서,
상기 심장 경색의 크기는
TTC(triphenyltetrazolium chloride)의 염색법에 의해 위험 영역의 백분율로 표시되는 것을 특징으로 하는,
심장 허혈 및 재관류에 대한 실시간 생체신호 측정 장치.
제1항에 있어서,
상기 일정 시간은
55 내지 65 분인 것을 특징으로 하는,
심장 허혈 및 재관류에 대한 실시간 생체신호 측정 장치.
제1항에 있어서,
상기 센서부는
상기 적출된 심장의 산소 농도를 실시간으로 검출하는 산소 센서;
상기 적출된 심장의 일산화질소 농도를 실시간으로 검출하는 일산화질소 센서;
상기 적출된 심장의 일산화탄소 농도를 실시간으로 검출하는 일산화탄소 센서; 및
상기 적출된 심장의 황화수소 농도를 실시간으로 검출하는 황화수소 센서;
중 어느 하나 이상을 구비하는 것을 특징으로 하는,
심장 허혈 및 재관류에 대한 실시간 생체신호 측정 장치.
제6항에 있어서,
상기 센서부는
상기 산소 센서를 통하여 상기 심장 허혈 유발시 감소하는 산소 농도와 상기 재관류 후 회복되는 산소 농도 및 상기 재관류시 최대 산소 농도를 측정하고,
상기 일산화질소 센서를 통하여 상기 심장 허혈 유발 기간 동안 상기 일산화질소 농도 변화 및 상기 허혈 유발과 상기 재관류시 상기 일산화질소의 최대 농도 증가량 및 감소량을 측정하여 상기 기체 농도 값을 검출하는 것을 특징으로 하는,
심장 허혈 및 재관류에 대한 실시간 생체신호 측정 장치.
제1항에 있어서,
상기 생체신호 측정 장치는
상기 센서부에 일정 전위를 공급하고 전류변화를 측정하는 일정 전위기;
를 더 구비하는 것을 특징으로 하는,
심장 허혈 및 재관류에 대한 실시간 생체신호 측정 장치.
제1항에 있어서,
상기 열 교환기는
상기 적출된 심장의 대동맥 연결부위 직전에 접촉되는 열전쌍; 및
상기 적출된 심장으로 유입되는 관류액의 온도를 일정 온도로 유지하는 온도 제어기;
를 구비하는 것을 특징으로 하는,
심장 허혈 및 재관류에 대한 실시간 생체신호 측정 장치.
제9항에 있어서,
상기 일정 온도는
35 내지 39 ℃인 것을 특징으로 하는,
심장 허혈 및 재관류에 대한 실시간 생체신호 측정 장치.
제1항에 있어서,
상기 용액 챔버는
상기 적출된 심장과 일정 높이를 유지하는 것을 특징으로 하는,
심장 허혈 및 재관류에 대한 실시간 생체신호 측정 장치.
제11항에 있어서,
상기 일정 높이는
85 내지 95 cm인 것을 특징으로 하는,
심장 허혈 및 재관류에 대한 실시간 생체신호 측정 장치.