KR20120042604A - 세포주입용 주사바늘 및 이를 구비한 주사기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 심근경색 또는 허혈성 심부전 질환으로 괴사된 심근조직 내에 줄기세포를 주입하기 위한 주사바늘 및 주사기에 관한 것으로, 본 발명은 주사바늘 샤프트(needle shaft)가 나선형으로 감겨진 형태인 세포주입용 주사바늘을 제공한다. 본 발명이 주사바늘 및 주사기는 심근조직에 주입 후 세포액이 심장외막 밖으로 새어나오는 것을 방지함과 동시에, 주입된 줄기세포에 혈류 순환을 재개시킴으로써 괴사된 심근조직 내에 줄기세포 생존율을 증가시킬 수 있다.

Description

세포주입용 주사바늘 및 이를 구비한 주사기{Injection needle for injecting stem cells and syringe equipped therewith}

본 발명은 인간을 포함한 동물의 생체의 기관조직 내에 세포액을 주입하기 위한 주사바늘 및 이를 구비한 주사기에 관한 것으로, 보다 상세히는 심근경색 또는 허혈성 심부전 질환으로 괴사된 심근조직 내에 효과적으로 줄기세포를 주입하고 미세혈류를 복원하여 세포의 생존을 증대시키기 위한 주사바늘 및 주사기에 관한 것이다.

심근경색(myocardial infarction)은 관상동맥 폐쇄가 일정시간 이상 지속됨으로써 심장 전체 또는 일부분에 산소와 영양 공급이 줄어들어 결과적으로 심근 세포가 괴사(necrosis)되는 상태를 말한다. 심근경색 또는 허혈성 심부전(ischemic heart failure) 질환에서 심근 세포의 괴사(necrosis)로 인한 심부전의 합병증이 흔히 발생한다. 심부전 합병증은 심인성 급사의 위험률을 증가시키고, 호흡 곤란 등의 증상으로 평생 약물 치료에 의존해야 하며, 심부전의 정도가 심할 경우 반복 입원해야 한다.

심근세포는 신경세포와 같이 재생이 되지 않으므로 한번 손상을 입으면 치료되기가 어렵다. 괴사된 심근조직은 섬유조직으로 치환되면서 반흔으로 남거나 석회화되기도 한다. 또한, 그 주위의 비교적 손상 받지 않은 심근세포는 오히려 비후되고 확장되는 소위 'remodeling' 과정을 거치게 된다.

이러한 심근경색 등 심장질환은 종래에는 일반적으로 약물 치료나 외과적 수술에 의존해 왔으나, 최근 줄기세포가 심근세포로 분화될 수 있음이 알려지면서, 심근세포의 괴사 부위(infarcted zone)에 줄기세포를 이식하여 정상 심근 세포로 분화(differentiation) 및 재생(regeneration)시키려는 연구가 활발히 진행되어 왔다.

Tomita 등은 쥐의 골수에서 분리한 중배엽 줄기세포(mesenchymal stem cells)를 심근경색 모델 동물 내로 이식한 결과, 심장 기능이 개선되었음을 보여주었다(Tomita S, Li RK, Weisel RD. Autologous transplantation of bone marrow cells improve damaged heart function. Circulation. 1999;100(19):247-256).

Kudo 등은 괴사된 심근조직에 이식된 골수유래 줄기세포가 심근세포와 내피세포로 분화되었고, 결과적으로 심근경색 부위의 크기와 섬유증(fibrosis)이 감소됨을 보여주었다(Kudo, M., Wang, Y., Wani, M. A., Xu, M., Ayub, A., and Ashraf, M. (2003) Implantation of bone marrow stem cells reduces the infarction and fibrosis in ischemic mouse heart. J. Mol . Cell Cardiol. 35, 1113-1119)

현재, 골수 줄기세포 (Bone marrow derived stem cells)을 비롯한 다양한 줄기세포를 심근경색 부위에 이식시켜 심부전을 치료하려는 연구가 꾸준히 진행되고 있으며, 이러한 줄기세포를 이용한 치료제에 대하여 여러 임상시험이 진행되고 있다.

심근경색 치료를 위한 줄기세포의 이식은 관상동맥 조영술을 이용하여 대동맥을 따라 카테터를 괴사된 관상동맥 주위에 위치시킨 후 줄기세포를 투여하는 방법과, 개흉하여 심장을 노출시킨 후 허혈 손상된 심장 부위에 주사기를 이용하여 줄기세포를 직접 주입하는 방법이 사용되고 있다.

이러한 세포주입용 주사기는 일반주사기와 그 구조 및 형태에 있어 차이가 별로 없다. 종래 세포주입용 주사바늘은 스트레이트 커브형(straight-curve)으로 되어 있다.

Freyman 등은 돼지 동물 모델에서 정맥 주입(intravenous infusion, IV), 관상동맥 주입(intracoronary infusion, IC), 심장내막 주입(endocardial injection, EC) 3가지 방법으로 주입 14일 경과 후 경색된 부위(infarcted zone) 내 줄기세포 생존율을 조사한 결과, IV 에서는 전혀 검출되지 않았으며, IC 는 약 6%, EC 는 약 3% 정도가 이식(engraft)된 것을 확인하였다(Freyman T, Polin G, Osman H, Crary J, Lu M, Cheng L, Palasis M, et al. (2006) A quantitative, randomized study evaluating three methods of mesenchymal stem cell delivery following myocardial infarction. Eur Heart J 27:1114.1122).

줄기세포 주입 후 세포의 생존율을 알아보기 위한 조직 검사에서 세포 생존율은 주입된 전체 세포수의 1 ~ 5%로 매우 낮다는 다양한 연구결과가 보고되고 있으며, 관련 의학계에서는 5%를 넘지 못하는 것으로 일반적으로 받아들여지고 있다(Noort W.A., Feye D., Van Den Akker F., Stecher D., Chamuleau S.A., Sluijter J.P., Doevendans P.A. (2010) Mesenchymal stromal cells to treat cardiovascular disease: strategies to improve survival and therapeutic results. Panminerva Med. 52: 27-40.). 이러한 낮은 생존율은 심근경색 부위에 줄기세포를 효과적으로 투입하는 방법이 아직 제대로 확립되어 있지 않음을 시사한다.

Wold 등은 기존의 주사바늘의 중간 부분을 약 45도 정도 꺽은 수정된 형태인 스트레이트 커브형(straight-curve) 주사바늘을 이용하여 정상 심근조직을 비스듬히 천자한 후 인접한 괴사된 심근조직 내로 줄기세포를 주입하는 것을 개시하고 있다(Loren E. Wold, Wangde Dai, Joan S. Dow, and Robert A. Kloner(2007) Stem Cell Therapy in the Heart and Vasculature, Methods in Molecular Medicine , Vol . 139: Vascular Biology Protocols). 실제로 동물 모델에서 종래의 세포주입용 주사기를 사용하여 괴사된 심근조직 내에 줄기세포를 주입해 보면, 주입 후 많은 양의 세포액이 심외막 밖으로 다시 새어나오는 것을 확인할 수 있다. 결과적으로 심근조직 내에 잔존하는 세포 양은 실제 주입된 세포 양에 비해 현저히 감소하게 된다.

또한, 괴사된 심근조직 내에 줄기세포가 잔존하더라도, 주입된 줄기세포는 괴사 조직내에서 고립되어, 혈류 공급이 여전히 부족한 상태이므로 주입된 줄기세포 대부분이 생존하지 못하고 고사되는 문제점이 있다. 또한, 주입된 줄기세포에 대한 혈류 공급을 위해, 일반 주사바늘로 심장벽 전체를 수직 또는 비스듬히 관통하면, 심장내 높은 혈압에 의해 심장 내강의 혈류가 심장외막으로까지 출혈될 위험이 높다.

따라서, 심근경색 부위에 줄기세포를 효과적으로 투입하기 위한 새로운 도구개발과 시술방법 확립이 요구된다.

본 발명은 상술한 종래 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 심근조직에 주입된 세포액이 심장외막 밖으로 새어나오는 것을 방지함과 동시에, 주입된 줄기세포에 혈류 순환을 재개시킴으로써 괴사된 심근조직 내에 줄기세포 생존율을 증가시킬 수 있는 주사바늘, 이를 포함한 주사기 및 이의 사용 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명은 인체의 기관, 특히 심장 조직에 줄기세포를 주입하기 위한 주사바늘을 제공한다. 본 발명은 주사바늘 샤프트(needle shaft)가 나선형으로 감겨진 형태인 세포주입용 주사바늘을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 주사바늘 샤프트의 측면에 다수의 개구가 형성된 주사바늘을 제공한다.

한편, 본 발명은 상기 주사바늘 샤프트가 생체흡수성 재료(bioabsorbale material)로 이루어져, 시간경과에 따라 기관조직 내에서 생분해되는 주사바늘을 제공한다.

다른 한편, 본 발명은 상기의 나선형의 샤프트를 가지는 주사바늘; 상기 주사바늘이 장착되는 주사기 배럴; 상기 주사기 배럴에 삽입되는 플런저를 포함하는 주사기를 제공한다.

또 다른 한편, 본 발명은 상기 나선형 샤프트를 수용하는 가이드 홈이 형성된 가이드 체(guide body)가 더 구비된 주사기를 제공한다. 또한, 상기 주사기 배럴의 외측면에는 상기 가이드 체의 내부 홈에 대응되는 나선 돌기가 형성된 주사기를 제공한다.

본 발명에 따른 주사바늘을 이용하여 심장벽 내에 세포액을 주입하는 경우, 심장내막에서부터 외막쪽으로 미세한 나선형 채널이 형성되므로 주입된 세포액이 심장외막 밖으로 다시 새어나오지 않아 세포 잔존율이 증가되는 효과가 있다.

또한, 나선형 미세 채널은 심장 내강에서 심장외막 쪽으로 출혈이 발생하는 것을 방지 또는 감소시키는 효과가 있다.

또한, 나선형 미세 채널은 수직 채널에 비해 상당히 길어 1회 시술로 비교적 넓은 부위에 다량의 세포액을 주입시키는 효과가 있다.

한편, 생체흡수성 재료의 샤프트를 이용한 주사바늘은 혈류 공급 채널의 지속 시간을 증가시켜 줄기세포가 심근세포로 원활하게 분화되도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예로서 나선형의 샤프트를 구비한 주사바늘의 외관도이다.
도 2는 도 1의 주사바늘이 장착된 주사기의 부분 절개도이다.
도 3a 내지 3d는 본 발명의 나선형 주사바늘이 장착된 주사기의 사용 방법을 나타낸 도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예로서 샤프트의 측면에 다수개의 개구가 형성된 주사바늘의 외관도이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예로서 생체흡수성 샤프트를 구비한 주사바늘의 외관도이고, 도 5b는 샤프트와 허브의 연결관계를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예로서 도 5a의 주사바늘이 장착된 주사기의 단면도이다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예로서 2개의 샤프트 부재가 결합된 주사바늘의 외관도이고, 도 7b 및, 7c는 부재간 결합 부위의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예로서 도 7a의 주사바늘이 장착된 주사기의 단면도이다.
도 9는 도 7a의 주사바늘이 적용된 경색 부위(imfarcted zone) 단면도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예로서 여러번 시술할 수 있는 주사바늘의 외관도이다.
도 11은 도 9의 주사바늘이 장착된 주사기의 단면도이다.
도 12(a)는 세포이식에 사용되는 종래 스트레이트 커브형(straight-curve)형 샤프트를 구비한 주사바늘의 사진이고, 도 12(b)는 본 발명에 따른 나선형 샤프트를 구비한 주사바늘의 사진이다.
도 13은 종래 스트레이트 커브형 주사바늘을 사용하여 심장박동이 유지되는 쥐(rat) 심장에 줄기세포를 주입하는 사진으로, (a)는 주입 초기 사진이며, (b)는 시술 5분 후 사진이다.
도 14는 본 발명의 나선형 주사바늘을 사용하여 심장박동이 유지되는 쥐(rat) 심장에 줄기세포를 주입하는 사진으로, (a)는 주입 초기 사진이며, (b)는 시술 3분 후 사진이다.
도 15는 표지인자 cy 5.5를 이용하여 이식된 줄기세포 수를 확인한 실험 결과로서, (a)는 xenogen 장비로 세포수에 따른 발현정도를 나타내고, (b)는 심근경색유도 쥐 모델(rat model)에 5×10⁶ 의 세포를 각각 스트레이트 커브형 주사바늘과 나선형 주사바늘을 이용하여 이식하였을 때 발현 결과이고, (c)는 세포수를 확인할 수 있는 xenogen 장비의 color-bar를 나타낸 것이다.
도 16은 쥐 모델(rat model)의 좌측 주간지 관상동맥(left anterior descending coronary artery)의 혈류를 수술적으로 차단하여 심근 경색을 유도한 후 심 초음파(echocardiography)로 심장기능의 변화를 측정한 결과로서, (a)는 종래 스트레이트 커브형 주사바늘을 사용하여 생리식염수(saline)를 주입한 결과이고, (b)는 종래 스트레이트 커브형 주사바늘을 사용하여 내피세포로 분화된 인간 배아 줄기세포(hESC-EC)를 주입한 결과이고, (c)는 본 발명의 나선형 주사바늘을 사용하여 내피세포로 분화된 인간 배아 줄기세포(hESC-EC)를 주입한 결과이다.

본 발명자는 종래 직선형 주사바늘을 이용하여 심장조직 내에 세포액을 주입한 후, 심장 내강까지 관통시킨 다음 관찰한 결과, 다량의 세포액이 심외막으로 다시 새어나오고, 또한 심장 내강에서 심외막쪽으로 출혈이 발생하는 것을 확인하였다.

본 발명자는 종래 직선형으로 되어 있는 세포주입용 주사바늘을 나선형으로 감겨진 형태로 변형하여 주사바늘을 회전시키면서 나선형으로 천자한 경우, 외부 출혈이 없을 뿐 아니라, 주입된 세포액이 심장외막으로 새어나오지 않는 것을 확인하여 본 발명을 완성하였다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 구체적으로 설명한다.

[ 실시예 1]

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 주사바늘의 사시도이다.

도 2는 도 1의 주사바늘이 장착된 주사기의 부분 절개도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 주사바늘(needle assembly)(10)은 주사바늘 샤프트(needle shaft)(11)와 주사바늘 허브(needle hub)(12)를 포함한다. 본 발명에 있어서, 용어 '주사바늘 샤프트' 또는 '샤프트'는 세포액이 통과하는 미세 관(tube)을 의미하고, 보통 '주사바늘'(injection needle)로도 지칭된다. 종래 사용되는 샤프트는 전체적으로 직선이거나 부분적으로 꺽인 형태이다. 반면, 본 발명의 샤프트(11)는 나선형으로 감겨진 형태를 가지는 데 그 특징이 있다.

본 발명의 샤프트(11)의 직경은 종래 사용되는 세포주입용 주사바늘의 직경과 동일하며, 바람직하게는 20 ~ 33 게이지(guage, G)의 직경을 가진다. 20G 주사바늘의 외부직경은 약 0.902 mm, 28G는 약 0.356 mm, 33G는 약 0.203 mm 이다.

본 발명의 샤프트(11)에 형성된 나선의 직경은 다양하나, 통상적으로 2 ~ 15 mm 이고, 바람직하게는 3 ~ 10 mm 이다.

본 발명의 나선형 샤프트의 나선각(spiral angle)(θ)는 5°~ 45°(degree)를 가지는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 10°~ 20°이다.

상기 주사바늘 샤프트의 근위부(proximal portion)는 주사바늘 허브(12)에 결합된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 허브(12)는 주사기 배럴(injection barrel)(20)의 개구에 끼워져 장착된다. 본 발명은 샤프트(11)의 구조에 특징이 있으므로, 별도의 허브없이 샤프트가 주사기 배럴에 직접 결합된 일체형도 가능하다.

샤프트(11)의 재질은 주사바늘에 범용으로 사용되는 스테인레스 스틸이 사용될 수 있으나, 이외에도 다양한 금속, 합금재질이 사용될 수 있다.

샤프트의 원위 단부(distal end)는 통상의 주사바늘과 같은 형태이고, 개구(13)가 형성되어 있다.

도 3a 내지 3d는 본 발명의 나선형 주사바늘이 장착된 주사기의 사용 방법을 나타낸다.

본 발명의 주사기(1)를 심장외막에 수직으로 위치시키고 주사기 배럴(20)을 서서히 회전시키면, 주사바늘은 나선각(θ)을 유지하며 나선형으로 심장벽(또는 심장근육층)을 천자해 들어간다. 주사바늘의 원위 단부가 소정 위치에 도달하면, 플런저(plunger)(30)를 밀어 배럴 내 세포액(줄기세포를 포함한 용액)을 1차 주입한다(도 3a 참조). 그런 다음, 계속하여 주사기 배럴을 회전시켜 심장근육층을 나선형으로 조금 더 천자한 다음, 다시 플런저를 밀어 세포액을 2차 주입한다(도 3b 참조). 위와 같은 방법으로 조금씩 천자와 주입을 반복한다(도 3c 참조). 나선형 주사바늘이 심장내막까지 심장벽을 완전히 관통하면, 주사기 배럴을 역방향으로 회전시켜 주사바늘을 서서히 밖으로 빼낸다. 시술 후 샤프트가 지나간 자리에는 나선형의 미세 채널이 형성되고, 미세 채널 주위를 따라 주입된 세포액(줄기세포)이 포진한다. 심장 내강에 있는 혈액은 심장내막에 형성된 미세 채널을 따라 주입된 세포액에 산소와 영양분을 공급하여, 세포 생존율을 현저히 증가시킨다. 즉 상기 미세 채널은 세포액까지 혈류를 재개시킨다. 괴사된 심장근육층에 주입된 줄기세포는 심근세포 등으로 안정적으로 분화되어 심근조직을 재생시킨다.

상술한 방법에 따라 형성된 미세 채널은 심장내막에서부터 외막까지 매우 긴 나선형의 구조를 띠므로, 심장 내의 혈류가 심장 밖으로 출혈되지 않으며, 비록 약간의 출혈이 있더라도 수직으로 관통하는 것에 비하면 매우 현저하게 적다. 필요에 따라서는 심장외막에 형성된 주사바늘 자국 부위에 점착성 약물을 도포함으로써 출혈 위험을 더욱 줄일 수 있다. 본 발명에 따라 형성된 미세 채널은 종래 방법에 비해 채널이 매우 길기 때문에 한번 시술에 많은 양의 세포액이 주입되는 장점이 있다.

[ 실시예 2]

도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 주사바늘의 사시도이다.

본 실시예의 주사바늘(10a)은 샤프트(11a) 측면에 다수개의 개구(14)가 형성되어 있다. 이러한 개구의 갯수 및 위치는 샤프트의 직경, 나선 직경 등 상황에 따라 적정하게 디자인될 수 있다. 도 4에는 1바퀴 당 4개의 개구가 형성된 샤프트를 나타낸다.

본 발명의 주사바늘 샤프트(11a)의 원위 단부(distal end)에는 도 4와 같이 개구(13)가 형성되어 있을 수 있으며, 필요에 따라서는 원위 단부의 개구(13)는 폐쇄될 수 있다.

본 실시예의 주사바늘(10a)이 장착된 주사기의 사용방법은 다음과 같다.

주사바늘이 장착된 주사기를 회전시켜 심장벽을 나선형으로 서서히 천자해 들어간다. 주사바늘의 원위부가 심장근육층의 하부 위치에 충분히 도달하면, 플런저를 밀어 샤프트의 측면에 형성된 다수의 개구를 통해 세포액을 괴사된 심근조직 내로 주입시킨다. 그런 다음, 계속하여 주사바늘을 회전시켜 심장내막까지 관통한 다음, 역방향으로 회전시켜 주사바늘을 밖으로 빼낸다. 필요에 따라서는 회전 및 주입 횟수를 늘릴 수 있다.

본 실시예 2의 주사바늘(11a)은 상기 실시예 1과 비교해, 1회 주입만으로 심근조직의 다양한 위치에 골고루 세포액을 동시에 주입할 수 있는 장점을 가진다.

[ 실시예 3]

줄기세포가 심근세포로 분화되는 데 있어 지속적인 혈류 공급은 매우 중요하다. 주사바늘 천자 후 심장벽에 형성된 미세 채널은 일시적이며, 시간 경과에 따라 서서히 닫혀진다. 경우에 따라서는 이러한 미세 채널이 빠르게 닫혀 주입된 줄기세포에 충분한 혈류 공급이 제한될 수 있다.

이를 해결하기 위하여, 본 발명의 주사바늘(10b)의 샤프트(11b)는 생체흡수성 재료(bioabsobale material)로 이루어질 수 있다. 생체흡수성 샤프트는 심장벽 내에 미세 채널의 골격을 형성하여 줄기세포가 심근세포로 충분히 분화되어 심근조직으로 재생될 수 있도록 충분한 혈류 공급 시간을 제공한다.

생체흡수성 재료는 대체로 인체 내에서 서서히 가수분해가 일어나 단일분자화된 후, 최종적으로 H₂O와 CO₂로 대사되는 특징을 가진다.

이러한 생체흡수성 재료로는 폴리락트산(Poly lactic acid, Poly lactide, "PLA") 계열, 폴리글리콜산(Poly glycolic acid, Polyglycolide, "PGA") 계열, 폴리락트-글리콜산(PLGA), 폴리카프로락톤(Poly carprolactone, PCL) 계열, 폴리디옥사논(Poly-dioxanon) 계열, 폴리 하이드록시부티레이트(poly-hydroxybutyrate) 계열, 지방족 폴리에스테르 등이 이미 알려져 있다. 일 예로, 폴라락트산(PLA)은 생분해성 봉합사 재료나 정형외과에서 사용하는 이식용 임플란트의 재료로 30년 이상 임상에서 사용되어 오면서 그 안전성이 입증된 재료이다. PLA은 생체 내에서 ㅈ저젖산(lactic acid)으로 가수분해되는데, 이는 수용성이며 최종적으로 H₂O와 CO₂로 대사된다.

이러한 생체흡수성 재료는 주로 수술용 봉합사, 심장질환용 스텐트 등의 의료분야에 두루 이용되고 있다. 생체흡수성 재료는 상술한 물질 단독 또는 이들의 공중합체이거나 블랜드된 재료일 수 있다.

본 발명의 목적은 인체 조직 내로 천자되어 삽입된 후 서서히 생분해될 수 있으면 족하므로 상기 기술된 재료 외에도 이러한 물성을 가지는 것은 모두 포함된다.

생체흡수성 재료는 플라스틱 재질이다. 주사바늘 샤프트(needle shaft)와 같이 매우 가는 플라스틱 튜브는 압축강도 또는 인장강도는 우수하게 제조될 수 있으나, 일반적으로 회전 토크(spin torque)에 약하여 쉽게 비틀리거나 부러지기 쉽다. 따라서, 허브(12b)와 연결된 샤프트(11b) 부분은 수직이 아니라, 나선형의 경사각과 동일하거나 약간의 오차범위 내에 있는 것이 바람직하다(도 5a 및 5b 참조). 샤프트는 회전과 동시에 병진하므로 허브(12b) 부위의 샤프트(11b)에는 회전 토크(spin torque)는 발생하지 않으며, 실질적으로 나선각 방향으로 밀게 된다.

한편, 나선형으로 감아진 생체흡수성 샤프트(11b)는 스테인레스 스틸과 같은 강성을 가지고 있지 않다. 따라서, 심장벽을 원래 나선 모양 그대로 천자하기 어렵고, 배럴을 돌리면 오히려 바깥 쪽으로 밀려날 염려가 있다.

본 실시예에 따른 주사기는 조직 천자시 나선형의 주사바늘에 변형없이 조직 천자가 가능하도록 가이드 체(40)(guide body)를 더 구비할 수 있다(도 6 참조).

상기 가이드 체(40)는 파이프(pipe)와 같은 형태로 그 내면에는 나선형 샤프트(11b)를 수용할 수 있도록 나선형의 가이드 홈(41)이 파져 있다. 가이드 홈의 깊이와 폭은 샤프트 직경과 동일하거나 더 큰 것이 바람직하다. 회전시 상부 샤프트에 가해진 힘은 가이드 홈에 의해 어떠한 변형없이 하부 샤프트에 그대로 전달된다. 따라서, 나선형 샤프트(11b)는 휘지 않고, 원래 모양을 유지하며 심장벽 내로 천자될 수 있다. 상기 생체흡수성 샤프트의 측면에는 다수개의 개구가 형성되어 있다. 심장 내 혈류는 샤프트 속 채널을 따라 이동하여, 샤프트 측면의 개구를 통하여 세포액에 공급된다. 시간 경과에 따라 생체흡수성 재료는 서서히 생분해되며, 그 사이 줄기세포는 괴사된 심근조직 내에서 충분히 안정되고, 심근세포로 분화되어 심근조직으로 발달한다. 주사기 배럴(20b)의 외측면에는 가이드 홈(41)에 대응되는 돌기(21)가 형성된 것이 바람직하다.

주사바늘을 심장내막까지 관통시켜 채널을 형성시킨 다음, 심장외막에 노출된 샤프트는 수술용 절단기구(가위, 커터)로 절단한다. 절단된 샤프트 끝단을 가느다란 철심으로 좀 더 안으로 밀어 위치시킨 다음, 필요에 따라 점착성 약물을 도포하여 시술을 마무리한다.

[ 실시예 4]

도 7a는 본 발명의 일 실시예로서 2개의 샤프트 부재가 결합된 주사바늘의 외관도이고, 도 7b 및, 7c는 부재간 결합 부위의 단면도이다.

도 8은 본 발명의 일 실시예로서 도 7a의 주사바늘이 장착된 주사기의 단면도이다.

본 발명의 주사바늘 샤프트(11c)는 도 7a에 도시된 바와 같이 생체흡수성 샤프트(제1 샤프트)(11c')와 금속재질의 샤프트(제2 샤프트)(11c'')가 서로 결합된 구조일 수 있다. 생체흡수성 샤프트(11c')는 도 9에 도시된 바와 같이 심장벽 내부에 삽입된다. 금속재질의 샤프트(11c'')의 근위부는 허브(12)와 연결되고, 원위부는 생체흡수성 샤프트(11c')와 연결된다.

도 7b에 도시된 바와 같이 금속재질의 샤프트(11c'') 속으로 생체흡수성 샤프트(11c')가 삽입된 형태가 바람직하다.

도 8은 도 7a의 샤프트(11c)가 장착된 주사기로, 상기 실시예 3과 동일한 방법으로 심장벽을 천자해 들어간다. 금속재질의 샤프트(11c'')의 소정 부분까지 천자시킨 후 주사바늘을 역방향으로 돌리면 금속재질의 샤프트(11c'')는 쉽게 빠져 나오고, 생체흡수성 샤프트(11c')만 심장벽 내부에 깊숙히 위치한다(도 9 참조).

한편, 도 7c에 도시된 바와 같이 생체흡수성 샤프트(11c')의 근위 단부는 막혀진 형태일 수 있다. 이때 생체흡수성 샤프트(11c)는 세포액 주입 역할은 배제된 채 심근조직으로 혈류 공급 채널만 형성하기 위한 것이다. 샤프트(11c')의 근위 단부는 막혀져 있으므로 혈류가 심장외막으로 출혈될 위험은 전혀 없다. 필요에 따라서는 금속 재질의 샤프트(11c'')로 점착성 약물이 주입되어, 주사바늘 구멍을 메울 수도 있다.

[ 실시예 5]

상기 실시예 4의 생체흡수성 샤프트는 개구 전체가 심장벽에 삽입된 후 세포액이 주입되어야 한다. 만약 개구 하나라도 외부에 노출되어 있으면, 상당량의 세포액이 이러한 노출된 개구를 통하여 유실될 수 있다.

따라서, 1회 시술후 주사바늘을 새로 교체하여 사용해야 하는 불편이 있다.

본 실시예는 주사바늘의 교체없이 여러번 사용할 수 있는 주사기를 제공한다.

도 10에 보이는 바와 같이, 샤프트(11d)는 상당히 긴 생체흡수성 샤프트(11d')와 이와 비슷한 길이의 금속재질 샤프트(11d'')가 결합된 형태일 수 있다. 도 7a의 샤프트와 비슷한 형태이다.

도 11은 상기 주사바늘이 장착된 주사기의 단면도이다. 측면에 개구가 형성된 생체흡수성 샤프트(11d')는 가이드 채널(42)에 위치하고, 개구가 없는 금속재질의 샤프트(11d'')는 가이드 홈(41)에 위치한다. 주사 바늘을 회전시켜 생체흡수성 샤프트를 원하는 위치에 도달시킨 후 세포액을 주입하게 되면, 외부에 노출되어 있는 생체흡수성 샤프트(11d')의 개구는 가이드 채널(42)에 막혀 세포액이 외부로 유실되지 않고, 심장조직 내에 침투된 개구를 통해서만 세포액은 주입된다. 샤프트(11d')의 끝단을 심장내강으로 관통시킨 다음, 심장외막에 노출된 생체흡수성 샤프트(11d')를 절단시키면 1차 시술이 완료되고, 다른 시술 부위에 동일한 방법으로 계속하여 주사바늘 천자시킨다.

상기 가이드 채널(42)은 마치 파이프의 벽 속에 나선형 통로가 있는 형태로, 가이드 홈이 형성된 가이드 체(40) 내부에 대응되는 튜브 부재(43)을 밀어 넣어 만들 수 있다(도 11 참조).

실험예 1: 주사바늘 주입 실험

도 12(a)는 샤프트의 중간 부분이 약 45도 정도 꺽인 형태인 스트레이트 커브형(straight-curve) 주사바늘의 사진으로 지금까지 세포 주입에 주로 사용되고 있는 주사바늘이다. 도 12(b)는 본 발명에 따른 나선형 샤프트를 구비한 주사바늘의 사진이다.

도 13(a) 및 (b)는 종래 주사바늘[도 12(a)]을 사용하여 심장박동이 유지되고 있는 쥐 심장에 세포를 이식하는 사진으로, 도 13(a)는 주사바늘 최초 삽입시 사진이고, 도 13(b)는 시술 5분 경과 후 사진이다.

도 14(a) 및 (b)는 본 발명의 나선형 주사바늘[도 12(b)]을 사용하여 쥐 심장에 세포를 이식하는 사진으로, 도 14(a)는 주사바늘 최초 삽입시 사진이고, 도 14(b)는 시술 3분 경과 사진이다.

종래 사용되는 주사바늘의 경우, 쥐 심장박동에 대한 제어가 어려워 주사바늘을 삽입하는 순간 많은 양의 혈액이 분출되었으며[도 13(a)의 검은색 화살표 참조], 이 같은 제어의 어려움과 지혈로 인해 두 군데에 주사바늘을 삽입하여 세포를 주입 완료하는데 약 5분 가량의 시간이 소요되었다[도 13(b)의 검은색 화살표 참조].

반면, 본 발명의 나선형 주사바늘을 사용한 경우, 쥐 심장박동에 대한 제어가 어려움에도 불구하고 주사바늘을 삽입하는 순간 혈액의 분출이 거의 관찰되지 않았으며[도 14(a)의 검은색 화살표 참조], 네 군데에 주사바늘 삽입을 완료하는 데 약 3분의 시간이 소요되었다[도 14(b)의 검은색 화살표 참조].

상술한 바와 같이, 본 발명의 나선형 주사바늘은 종래 세포주입용 주사바늘과 비교해 심장 혈액이 거의 분출되지 않을 뿐 아니라, 신속하게 시술이 이루어짐을 확인할 수 있었다.

실험예 2 : 세포이식 발현 측정

이식된 세포의 존재를 확인할 수 있는 표지인자 cy 5.5를 줄기세포 내에 전달한 후, xenogen 장비로 심장에 이식된 줄기세포의 발현정도를 확인하였다.

도 15(a)에 보이는 바와 같이 같이 미리 세포수에 따른 발현 상태를 지표로하여, 심근경색 유도된 쥐 모델(rat model)에 종래 스트레이트 커브형(straight-curve) 주사바늘과 본 발명의 나선형(screw) 주사바늘을 이용하여 각각 5×10⁶ 의 세포를 이식한 후 발현 상태를 도 15(b)에 나타내었다. 도 15(c)는 세포수를 확인할 수 있는 xenogen 장비의 color-bar를 나타낸 것이다.

도 15(b)에 보이는 바와 같이, 본 발명의 주사바늘(screw needle)을 사용하여 줄기세포를 이식한 경우가 종래 주사바늘(straight-curve needle)을 사용하여 이식한 것보다 분포 면적이 훨씬 넓고, 많은 세포가 이식된 것을 color-bar 를 통하여 확인할 수 있었다.

실험예 3 : 심장기능의 변화 측정

쥐 모델(rat model)의 좌측 주간지 관상동맥 (left anterior descending coronary artery)의 혈류를 수술적으로 차단하여 심근 경색을 유도한 후 심 초음파 (echocardiography)로 심장기능의 변화를 측정하여 도 16(a), (b), (c)에 그래프로 나타내었다.

도 16(a)는 종래 스트레이트 커브형 주사바늘을 사용하여 생리식염수(saline)를 주입한 결과이고, 도 16(b)는 종래 스트레이트 커브형 주사바늘을 사용하여 내피세포로 분화된 인간 배아 줄기세포(hESC-EC)를 주입한 결과이고, 도 16(c)는 본 발명의 나선형 주사바늘을 사용하여 내피세포로 분화된 인간 배아 줄기세포(hESC-EC)를 주입한 결과이다.

허혈 심근에 생리식염수를 주입한 것에 비해 줄기세포를 이식한 심장의 기능 (fractional shortening, FS)이 보전되는 경향을 보였으며, 종래 스트레이트 커브형 주사바늘(straight curved needle)에 비해 본 발명의 나선형 주사바늘(screw needle)을 사용한 군에서 유의적으로 심장 기능이 호전되는 경향을 보였다.

1: 주사기 10, 10a, 10b, 10c: 주사바늘
11, 11a, 11b, 11c, 11d: 주사바늘 샤프트
12, 12b: 주사바늘 허브 13, 14: 주사바늘 개구
20, 20b: 주사기 배럴 21: 돌기
30: 플런저 40: 가이드 체
41: 가이드 홈 42: 가이드 채널
43: 튜브 부재

Claims (10)

1. 인간을 포함한 동물의 기관조직 내에 세포를 주입하기 위한 주사바늘에 있어서,
   상기 주사바늘의 샤프트(needle shaft)가 나선형으로 감겨진 형태인 세포주입용 주사바늘.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 주사바늘 샤프트의 측면에 다수의 개구가 형성된 것을 특징으로 하는 주사바늘.
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 주사바늘 샤프트는 생체흡수성 재료(bioabsorbale material)을 포함하여, 기관조직 내에서 시간경과에 따라 생분해되는 것을 특징으로 하는 주사바늘.
   
4. 제3항에 있어서, 상기 생체흡수성 재료는 폴리락트산(Poly lactic acid, Poly lactide, "PLA") 계열, 폴리글리콜산(Poly glycolic acid, Polyglycolide, "PGA") 계열, 폴리락트-글리콜산(PLGA), 폴리카프로락톤(Poly carprolactone, PCL) 계열, 폴리디옥사논(Poly-dioxanon) 계열, 폴리 하이드록시부티레이트(poly-hydroxybutyrate) 계열, 지방족 폴리에스테르로 구성되는 그룹 중에서 선택된 1종의 중합체 또는 이들의 공중합체 또는 블랜드인 것을 특징으로 하는 주사바늘.
   
   
5. 제3항에 있어서, 상기 샤프트의 근위 단부는 나선형의 경사각과 동일한 경사각을 유지하는 것을 특징으로 하는 주사바늘.
   
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 주사바늘 샤프트는 근위부에 금속재질의 제2 샤프트와, 원위부에 생체흡수성 재료의 제1 샤프트로 이루어지고,
   기관조직 내에 샤프트 주입 후 주사바늘을 돌려 뺄 때, 상기 제1 샤프트와 제2 샤프트는 분리가능한 형태로 결합된 것을 특징으로 하는 주사바늘.
   
7. 제6항에 있어서, 제1 샤프트는 제2 샤프트에 끼워져 있는 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 주사바늘.
   
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 나선형 샤프트를 가지는 주사바늘; 상기 주사바늘이 장착되는 주사기 배럴; 상기 주사기 배럴에 삽입되는 플런저를 포함하는 주사기.
   
9. 제8항에 있어서, 상기 나선형 샤프트를 수용하는 가이드 홈이 형성된 가이드 체(guide body)를 더 포함하는 주사기.
   
10. 제9항에 있어서, 상기 주사기 배럴의 외측면에서는 상기 가이드 체의 내부 홈에 대응되는 돌기가 나선형으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 주사기.

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