절개 없는 성형?...5분 밖에 안걸리는 ‘분자 수술법' 개발 VIDEO: "Molecular surgery" reshapes cartilage while sparing the scalpel
"Molecular surgery" reshapes cartilage while sparing the scalpel
Ben Coxworth
While the technology could be utilized for cosmetic procedures such as rhinoplasty (pictured above), it may also find use on tendons or corneas(Credit: VGeorgiev/Depositphotos)
절개 없는 성형?...5분 밖에 안걸리는 ‘분자 수술법' 개발 캘리포니아 어바인대학(UCI) 연구팀 전기로 연골, 각막 등의 콜라겐 조직 재구성 흉터나 통증 없어 최근 이런 전통적인 수술기법 대신 작은 바늘과 전류 그리고 3D-인쇄 주형(mold)을 이용해 절개나 흉터 및 긴 회복시간 없이 생체조직을 신속하게 변형시킬 수 있는 ‘분자 수술(molecular surgery) 기법이 개발됐다. 이 기술은 나아가 굳어서 움직이지 않는 관절을 고치거나 레이저 칼을 이용한 눈 수술의 대체 기법으로 사용할 수 있는 가능성도 보여주어 비상한 관심을 모은다. 새로운 비침습적 시술을 각막에 적용한 모습. 연구팀은 a)의 파란색 각막 곡선을 b)의 빨간색으로 표시된 새로운 위치로 변경했다. 이 방법으로 간단하게 시력문제를 해결할 수 있을 것으로 보고 있다. CREDIT: Rachel Qu, Anna Stokolosa, Charlotte Cullip “시술 과정 5분밖에 안 걸려” 미국 옥시덴탈대학과 캘리포니아 어바인대학(UCI) 연구팀은 최근 미국 플로리다 올란도에서 열린 미국화학회(ACS) 2019 춘계학술대회에서 이 기술을 발표해 큰 관심을 불러일으켰다. 이 프로젝트의 주연구자 중 하나인 옥시덴탈대학 마이클 힐(Michael G. Hill) 교수(화학과)는 “우리는 이 새 기술을 진료실에서 국소마취로 간단히 시행할 수 있을 것으로 보고 있다”며, “전체 과정이 약 5분밖에 소요되지 않는다”고 밝혔다. 힐 교수는 캘리포니아 어바인대학 얼굴성형 전문가인 브라이언 웡(Brian Wong) 박사가 연골 성형(reshape)을 위한 비침습적 기술 개발에 도움을 요청하자 프로젝트에 합류했다. 이런 방법은 코 모양을 좀더 매력적으로 만들려는 것과 같은 미용성형 수술에 유용하다. 그러나 콧구멍을 둘로 나누는 연골인 비중격이 만곡돼 휘어져 있거나, 뇌졸중 혹은 뇌성마비로 인해 관절이 굳어지는 관절 구축과 같이 딱히 좋은 치료법이 없는 경우에도 도움이 될 수 있다. 정상적인 모습과 비중격 만곡증이 있는 MRI 이미지. 이런 문제는 앞으로 절개 없이 분자 수술을 이용해 간단히 바로잡을 수 있을 것으로 기대된다. ⓒ 하나이비인후과 연골에 전류 통해 부드럽게 바꿔 성형 전문가인 웡 박사는 적외선 레이저로 연골을 가열해 이를 변형하는 대체 기법을 사용하고 있었다. 힐 교수는 “문제는 이 기술의 비용이 많이 들며, 조직을 죽이지 않고 연골을 쉽게 펴거나 구부릴 수 있는 가단성이 있도록 충분히 가열하기가 쉽지 않다는 점”이라고 지적했다. 웡 박사팀은 더욱 실용적인 방법을 찾기 위해 연골에 전류를 통과시켜 이를 가열하는 실험을 시작했다. 이 방법을 통해 실제로 조직을 변형시킬 수 있었으나 흥미롭게도 가열에 의한 것이 아니었다. 웡 박사는 이번에 개발된 방법이 어떻게 작용하고, 조직 손상을 어떻게 막을 수 있는지를 확인해 주도록 힐 교수에게 요청했다. 연골은 생체고분자에 의해 느슨하게 짜여진 미세하고 뻣뻣한 섬유들로 이루어져 있다. 그 구조는 아무렇게나 쌓여있는 스파게티와 비슷하며, 개별 가닥들은 실로 함께 묶여져 있다. 힐 교수는 “그것을 집어들면 가닥들이 떨어져 나가지 않고 헐렁하게 늘어져 있다”고 말했다. 연골과 힘줄을 부드럽게 해 원하는 모양을 만들 수 있는 새 방법은 근육과 관절 퇴축 치료에도 효과가 있을 것으로 보고 있다. 말기 신경병 환자의 근육이 구축돼 다리가 오그라든 모습. ⓒ Wikimedia / Maria Sieglinda von Nudeldorf 흉터나 통증 없는 것이 큰 장점 연골에는 또한 음전하 단백질과 양전하의 나트륨 이온이 포함돼 있다. 이 하전 입자들의 밀도가 더 높은 연골은 전하 밀도가 낮은 연골보다 더 뻣뻣하다.
양성자의 양전하는 단백질에 있는 음전하를 상쇄시켜 전하 밀도를 줄이고 연골을 더욱 다루기 쉽게 만든다. 힐 교수는 “일단 조직이 유연해지면 우리가 원하는 모양대로 만들 수 있다”고 설명했다. 연구팀은 귀가 똑바로 쫑긋하게 서 있는 토끼를 대상으로 이 방법을 테스트했다. 주형(mold)을 사용해 한 쪽 귀를 원하는 모양으로 구부렸다. 그때 전기를 통하지 않고 주형을 제거했다면 사람 귀를 접었다 펼 때 제자리로 돌아가는 것처럼 다시 원위치로 되돌아 갔을 것이다. 그러나 귀의 구부러진 곳에 미세바늘 전극을 삽입하고 그 자리에 주형을 장착한 다음 전류를 통과시키자 휘어진 곳의 연골은 손상 없이 바로 부드럽게 되었다. 이어 전류를 중단시키자 연골은 새로운 형태로 굳어졌고 그 다음에 주형을 제거했다. 전통적인 방법으로 이런 결과를 얻으려면 외과의사가 피부를 열고 연골을 절단한 다음 연골 조각을 원하는 모양에 맞춰 다시 붙여야 한다. 이럴 경우 봉합 부위에 흉터가 생기고, 이 흉터 조직은 다시 후속 수술 등을 통해 제거해야 한다. 분자 수술은 연골에 대한 이런 기계적 손상을 피함으로써 흉터나 통증을 생기게 하지 않는 장점이 있다. 콜라겐 재질인 눈 각막의 곡률을 조절하는데 사용될 수 있다면 수많은 근시와 난시 환자들에게 새로운 희망이 될 수도 있다. 미국 베데스타 미 해군의료원에서의 라식수술 장면. ⓒ ScienceTimes 3D 콘택트 렌즈에 전류 흘려 각막 교정 연구팀은 현재 의료기기 회사들과 함께 이 연골 기술에 대한 특허 취득을 모색하고 있다. 이와 함께 힘줄이나 각막과 같은 다른 유형의 콜라겐 조직에 응용하는 방법도 조사 중이다. 눈에 있는 각막은 시력에 영향을 미친다. 예를 들면 너무 많은 곡률이 있으면 근시가 생긴다.따라서 요즘에는 레이저로 각막을 절제해 근시나 난시, 노안 등을 교정하기도 한다. 이번에 개발된 방법으로 시력 교정에 적용하려면 수많은 장애를 극복해야 하는데, 예비 동물실험에서는 일단 유망한 결과가 나왔다. 연구팀은 3D 프린터를 사용해 콘택트 렌즈를 만들었다. 그리고 그 위에 전극을 페인팅한 다음 렌즈를 눈에 넣었다. 이 콘택트 렌즈에 전류를 흐르게 하자 일시적으로 각막이 부드럽게 돼 곡률을 변경할 수 있었다. 이 새 기술이 콜라겐으로 구성된 인체 여러 부위의 문제점 해결에 새로운 전기를 마련하게 될지 귀추가 주목된다. 김병희 객원기자 사이언스타임스 |
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Currently, in order to reshape cartilage such as that within the nose, incisions and subsequent sutures are typically required. Not only is the procedure invasive, but it can also result in scarring. Now, however, scientists have demonstrated a new method of cartilage-reshaping that requires no cutting.
First of all, there already is a procedure in which an infrared laser is used to heat up cartilage, making it malleable enough to be molded into the desired shape. According to the University of California-Irvine's Dr. Brian Wong, however, the process is expensive, plus it's difficult the heat the cartilage sufficiently without killing it.
Seeking a better alternative, his team joined forces with Dr. Michael Hill from Los Angeles-based Occidental College.
The researchers ultimately developed a technique that they call "molecular surgery," which begins with tiny needles being inserted into the cartilage. These are used to pass an electrical current through the tissue. This electrolyzes water present in the cartilage, converting it into oxygen and hydrogen ions – the latter are also known as protons.
The positive electrical charge of the protons proceeds to cancel the negative charge of proteins contained within the cartilage's rigid collagen fibers. This reduces those fibers' charge density, temporarily causing them to become soft and malleable – they're still linked to one another, however, by biopolymers.
Molecular surgery developed to reshape tissue with no incision/Earth.com
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At this point, a 3D-printed mold is externally applied to the nose or other appendage. The softened cartilage conforms to the shape of the mold, proceeding to harden into that shape as the electrolyzing effect wears off. In a lab test, the technique has already been used to reshape the cartilage in a rabbit's ear.
"We envision this new technique as a low-cost office procedure done under local anesthesia," says Hill. "The whole process would take about five minutes."
Down the road, it is hoped that the technology could be utilized not only for cosmetic procedures, but also as an alternative to surgery for deviated septums, and for addressing problems in other collagen-based tissues such as tendons and corneas. In fact, the scientists have successfully altered the curve of a cornea, using an electrode-equipped 3D-printed contact lens to pass current through it.
The research was presented this week, at the American Chemical Society Spring 2019 National Meeting and Exposition.
Source: American Chemical Society
https://newatlas.com/molecular-surgery-cartilage-reshaping/59141
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