자성 나노입자는 극저온 보관 후 1년 동안 돼지 신장을 재가온하고 기능을 복원합니다.

366일 동안 섭씨 영하 150도에 보관된 돼지 신장은 재가온 후 소변을 생성했습니다. 동일한 보존 접근법으로 치료한 다른 신장에서는 돼지에 이식한 후 즉시 혈류가 회복되고 소변을 생성하기 시작했습니다.

결과는 장기 장기 은행을 인간과 관련된 차원에 더 가깝게 만들었지만, 이러한 신장이 생명을 유지할 수 있다는 것을 증명하는 데는 미치지 못했습니다. 이식 관찰은 단 2시간만 지속되었고 여과 기능은 여전히 ​​손상되었으며 1년 동안 보관된 신장은 이식 대신 기계 테스트를 거쳤습니다.

외과 의사 Erik Finger와 기계 엔지니어 John Bischof가 이끄는 미네소타 대학 팀은 bioRxiv 사전 인쇄에서 발견을 보고했습니다. 이 연구는 동료 검토를 통해 인증되지 않았으며 인간의 신장을 테스트하지 않았습니다.

기증된 장기를 보존하는 것은 대개 시간 단위로 시간을 벌어들이는 일입니다. 기간을 몇 달 또는 몇 년으로 연장하면 보다 유연한 매칭, 운송 및 평가가 가능해집니다. 또한 이식 팀이 수술 전에 수혜자를 준비할 시간을 더 많이 줄 수도 있습니다.

새로운 실험에서는 무게가 약 100g(보고된 범위는 84~132g)인 돼지 신장을 사용했습니다. 이 장기는 이전에 보존하고 나노워밍한 쥐의 신장보다 대략 100배 더 무거웠습니다. 그 크기는 인간의 신장 보존을 개발하는 데 유용한 모델이 됩니다.

이전 작품에서 출판된 네이처커뮤니케이션즈 2023년에는 최대 100일 동안 보관된 쥐의 신장이 이식 후 생명을 지탱했습니다. 더 큰 장기에서 동일한 결과를 얻으려면 장비의 크기를 늘리는 것 이상이 필요합니다.

열은 큰 신장을 통해 천천히 이동하므로 신장의 중심을 빠르게 식히기가 더 어렵습니다. 보호 화학물질도 다른 지역에 도달하려면 더 많은 시간이 필요합니다. 장기간 노출되면 화학적 손상이 증가할 수 있으며, 고르지 않은 냉각 또는 가열로 인해 얼음이 손상되거나 균열이 생길 수 있습니다.

연구자들은 장기와 주변 용액을 얼음이 없는 유리 같은 상태로 바꾸는 유리화를 사용했습니다. 냉동 보호 화학 물질은 얼음 형성을 억제합니다. 문제는 조직에 허용할 수 없는 손상을 일으키지 않고 충분한 보호를 제공하는 것입니다.

쥐의 신장에 효과가 있었던 제제는 돼지 신장의 느린 냉각 조건에서는 충분한 보호를 제공하지 못했습니다. 팀은 PEZ42라는 대체품을 개발했습니다. 여기에는 얼음 형성을 억제하는 여러 가지 동결 방지제와 합성 화합물이 포함되어 있습니다.

전달에는 농도와 온도 모두에서 신중하게 제어된 변화가 필요했습니다. 연구진은 희석된 보호 용액을 사용하여 섭씨 4도에서 관류를 시작했습니다. 농도가 증가함에 따라 독성을 줄이기 위해 온도를 섭씨 -15도 이하로 낮추었습니다.

냉각에는 용액의 유리 전이 바로 위인 섭씨 -114도에서 100분 동안 정지하는 것도 포함되었습니다. 이를 통해 신장 내 온도가 더욱 균일해졌습니다. 그런 다음 장기를 보관을 위해 섭씨 영하 150도까지 서서히 냉각했습니다.

절차를 개선한 후 팀은 더 이상 균열이나 얼음 형성이 감지되지 않는다고 보고했습니다. 저자는 측정 결과가 기관 내 모든 곳에서 미세한 얼음을 배제할 수 없다는 점을 인정했지만 이미징은 성공적인 유리화를 뒷받침했습니다.

재가온은 또 다른 장애물을 만듭니다. 표면만 가열하면 중심부는 차갑게 남게 되어 잠재적으로 따뜻한 외부 영역이 팽창하는 동안 내부에 얼음이 형성될 수 있습니다. 대신 팀은 냉각되기 전에 신장의 혈관을 통해 실리카 코팅된 산화철 나노입자를 배포했습니다.

교번 전자기장은 이러한 입자가 기관 전체에 열을 생성하도록 만듭니다. 나노워밍(nanowarming)이라고 불리는 이 접근법은 표면에서 안쪽으로 이동하는 열에 대한 의존도를 줄입니다. 연구원들은 열 스트레스에 대한 급속 가열의 균형을 맞추기 위해 전력을 두 단계로 조정했습니다.

신장은 약 340~350초 만에 섭씨 -150도에서 약 -10도까지 따뜻해졌습니다. 후속 관류로 동결 방지제와 나노입자가 점진적으로 제거되었습니다. 그런 다음 장기는 기능 평가를 받을 수 있습니다.

이 과정은 단순히 일반 냉동실에서 꺼낸 신장을 녹이는 것이 아니다. 이는 맞춤형 화학, 제어된 관류, 극저온 저장 및 특수 고주파 장비를 결합합니다. 각 단계는 신장의 구조와 생물학적 기능을 모두 보존할 수 있을 만큼 잘 작동해야 합니다.

기계 테스트를 위해 연구팀은 8개의 유리화되고 나노가온된 신장을 6개의 신선한 신장(24시간 동안 냉장 보관된 9개, 냉동 보호제에만 노출된 9개)과 비교했습니다. 기계는 혈액 기반 용액을 섭씨 37도에서 2시간 동안 순환시켰습니다.

대부분의 신장은 1~7일 동안만 보관되었지만 보관 기간은 1~366일이었습니다. 1년 동안 저장된 장기는 나노따뜻해진 다른 신장의 범위 내에서 혈류와 대사 활동을 회복했습니다. 소변량은 해당 그룹의 대부분의 신장보다 낮았습니다.

나노가온 그룹 전체에서 평균 소변 생산량은 24시간 냉장 보관 그룹보다 약 29% 낮았습니다. 그 차이는 조정 후에 통계적으로 유의미한 수준에 도달하지 못했습니다. 작은 샘플은 결과가 접근 방식이 동일하게 잘 수행된다는 것을 입증할 수 없음을 의미합니다.

더 까다로운 측정인 크레아티닌 청소율에서는 상당한 차이가 나타났습니다. 나노가열된 신장에서는 100g당 분당 평균 4.16밀리리터였으며, 이는 냉장 보관 후 12.56밀리리터, 신선한 대조군에서는 18.35밀리리터였습니다. 이 측정은 순환액에서 노폐물을 제거하는 신장의 능력을 반영합니다.

따라서 이번 연구 결과는 부분적인 기능 회복을 보여줍니다. 소변 생성, 순환 회복 및 산소 소비는 고무적인 징후이지만, 이것만으로 장기간 적절한 여과가 이루어지지는 않습니다.

수술 실험에는 그룹당 3개의 신장이 포함되었습니다. 즉, 나노가열된 장기, 신선한 장기, 24시간 동안 차갑게 보관된 신장입니다. 이는 수술 타당성과 즉각적인 기능을 평가하기 위해 고안된 급성 비생존 실험이었습니다.

나노데워진 신장은 2시간의 관찰 기간 동안 혈액 순환을 균일하게 회복하고 소변을 생성했습니다. 그러나 여과 수준은 여전히 ​​낮았습니다. 조직 검사에서는 또한 혈관 내막 세포 손상 및 출혈을 포함하여 기계 관류 후보다 이식 후 더 큰 손상이 있는 것으로 나타났습니다.

냉동 보호제만 사용하는 신장과 비교하면 화학적 노출과 전달이 나머지 기능 장애의 대부분을 차지한다는 것을 알 수 있습니다. 이는 냉각 또는 재가온으로 인한 추가 부상을 배제하지 않습니다. 연구팀은 동결방지제만을 사용한 신장을 이식하지 않았기 때문에 수술 후 나타나는 손상 원인에 대한 결론이 제한적이었습니다.

작은 표본 크기와 1년 동안의 보관 테스트로 인해 중요한 질문이 해결되지 않았습니다. 장기 생존 실험에서는 여과가 개선되고, 조직 손상이 치유되고, 장기가 지속적인 생명 유지를 제공할 수 있는지 여부를 확립해야 합니다. 이식이 거부된 인간 신장에도 별도의 검증이 필요합니다.

저자는 또한 기술 측면을 다루는 미네소타 대학교 특허를 보고합니다. 임상적으로 사용하기 전에 프로세스에는 잔류 나노입자에 대한 추가 표준화, 자동화 및 평가가 필요합니다.

이번 성과는 임상적으로 관련된 규모로 장기를 보호하는 방향으로 나아가는 단계입니다. 이러한 기관이 수개월 또는 수년 동안 수혜자를 안정적으로 지원할 수 있는지 여부가 결정적인 테스트로 남아 있습니다.

이 연구는 나노온난화의 기초, 조기 이식 결과 및 더 큰 장기를 보존하는 데 따른 남은 과제를 설명합니다.

연구 결과는 bioRxiv 저널에서 온라인으로 확인할 수 있습니다.