혈액 치환과 재관류 손상 – 2013년 보고서
혈액 치환, 냉허혈 및 뇌 조직의 동결보호제 관류 연구크라이오닉스에서의 혈액 치환과 재관류 손상
새로운 연구 결과는 혈액 치환이 동결보호 효과를 개선할 수 있음을 시사합니다.
서론
이상적인 상황에서는 인체 저온보존 절차를 병원과 같은 한 장소에서 시작해 마칠 수 있습니다. 그러나 실제로는 동결보호제 관류와 저온 장기 보관을 위해 멀리 떨어진 크라이오닉스 시설로 환자를 이송하기 전에 안정화 조치를 해야 하는 경우가 많습니다. 동결보호제를 투입하기 전에는 환자를 물의 어는점보다 낮은 온도로 냉각할 수 없습니다. 따라서 법적 사망 선고 후 초기 안정화부터 크라이오닉스 시설에서 저온보존 절차를 시작하기까지의 시간은 장시간의 냉허혈 상태가 됩니다.
계속되는 혈액 응고와 한랭 응집에 대한 우려, 그리고 통상적인 장기 보존에서 장기보존액의 임상적 이점이 확인된 사실 때문에 일부 크라이오닉스 단체는 이송 전에 현장에서 혈액을 세척하고 전신용 장기보존액으로 대체합니다.
크라이오닉스에서 현장 혈액 치환은 여러 중요한 이론적 이점을 지닙니다. 혈액을 장기보존액으로 대체하면, 임상적 장기 보존에서 정적 보관 후 장기를 회수할 수 있는 시간이 늘어납니다. 또한 이 절차를 이용하면 체외에서만 냉각할 때보다 현장에서 더 빠르게 냉각할 수 있습니다. 알코어 생명연장재단이 현재 사용하는 만니톨 기반 관류액 MHP-2는, 혈액이 없는 상태에서 최대 5시간 동안 5~7°C 미만의 초심도 저체온 상태를 거친 개를 회복시킨 일련의 실험을 통해 개발되었습니다.
혈액 치환과 저온보존
크라이오닉스 연구소의 유리 피추긴은 크라이오닉스에서 현장 혈액 치환의 가치를 의문시했습니다. 그가 시험한 장기보존액 가운데 어느 것도 MHP-2와 UW 용액을 포함하여, 크라이오닉스에서 일반적인 이송 시간에 해당하는 기간 동안 쥐 해마 절편의 생존 능력을 유지하지 못했기 때문입니다. 그러나 우리의 연구는 현장 혈액 치환이 생존 능력 보존에는 충분하지 않더라도, 이송 후 동결보호제 관류를 개선하는 이점은 줄 수 있다는 가능성을 고려했습니다.
관류 장애
뇌 피질 표면 전체에 경미한 관류 장애가 있습니다.
동결
피질 표면, 특히 복측에 중등도의 동결이 있습니다. 피질 아래에도 중등도의 동결이 있으며, 특히 백질에서 두드러집니다.
그림 표기: 배측(Dorsal), 복측(Ventral), 좌측면(Left Lateral), 우측면(Right Lateral), 관상면(Coronal). 관상면 위치: −2.80mm, −3.80mm, −4.80mm, −5.80mm.
우리는 혈액을 치환하지 않은 대조군과 세척액 mRPS-2, RPS-2, MHP-2를 사용한 경우를 비교했습니다. 그 결과 혈액 치환이 저온보존한 설치류 신경 조직에서 동결보호제 관류를 개선하고 얼음 형성을 줄이는 데 상당한 이점을 준다는 사실을 관찰했습니다. 특히 MHP-2는 다른 용액보다 성능이 좋았습니다. MHP-2를 사용하면 48시간의 무혈 냉허혈 후 동결보호제 관류를 실시하고 유리화 용액의 유리전이 온도 아래로 냉각해도 뇌에서 얼음이 형성되지 않았습니다. 72시간이 지난 경우에도, 뇌에 혈액을 남겨 둔 채 72시간 냉허혈을 겪어 심한 관류 장애와 얼음 형성이 발생한 경우에 비하면 얼음 형성은 상대적으로 적었습니다. 이 실험들은 크라이오닉스에서 현장 혈액 치환을 실시하는 관행의 가치를 뒷받침하는 동시에 장기보존액의 조성이 매우 중요하다는 점을 강조합니다.
우리가 시험한 장기보존액은 동료 연구자들이 최근 개발한 더 발전된 배합을 포함해 어느 것도 장시간 냉허혈 후 저온보존 과정에서 관찰되는 심각한 전신 혈관성 부종을 완화하지 못했습니다. 이 현상은 VM-1(크라이오닉스 연구소)과 M22(알코어)를 관류할 때 모두 관찰되었습니다. 우리는 MHP-2의 배합을 개선하기 위한 여러 실험을 설계했지만, 지금까지 어떤 변형 배합도 부종을 줄이는 데 성공하지 못했습니다. 실제로는 무혈 냉허혈 후 얼음 형성을 줄이는 면에서 MHP-2보다 성능이 떨어지는 경우가 많았습니다.
관류 장애
정중선을 따라 피질에 경미한 관류 장애가 있습니다.
동결
앞쪽 피질하 영역에는 심한 동결이, 뒤쪽 피질하 영역에는 중등도의 동결이 있습니다.
그림 표기: 배측, 복측, 좌측면, 우측면, 관상면. 관상면 위치: −2.80mm, −3.80mm, −4.80mm, −5.80mm.
관류 장애
피질 표면에 중등도의 관류 장애가 있습니다. 주로 앞쪽에 나타나지만 소뇌 전체에도 관류 장애가 있습니다.
동결
뇌 전체가 단단하게 얼었습니다.
그림 표기: 배측, 복측, 좌측면, 우측면, 관상면. 관상면 위치: −2.80mm, −3.80mm, −4.80mm, −5.80mm.
온허혈 후 지연된 혈액 치환
우리의 실험은 크라이오닉스에서 현장 혈액 세척을 실시하는 관행을 추가로 뒷받침합니다. 다만 이 실험은 혈액 치환을 시작하기 전에 눈에 띄는 온허혈 손상을 겪지 않은 건강한 실험용 쥐를 대상으로 했다는 점을 알아야 합니다. 반면 크라이오닉스에서는 온허혈로 인한 지연이 흔히 발생합니다. 이에 따라 법적 사망 선고부터 혈액 세척 시작까지 오랜 시간이 지난 경우에도 혈액 치환이 효과적인지 의문이 생깁니다. 또한 혈액 치환이 이점보다 해를 더 많이 주기 시작하는 시점이 있는지도 관련된 질문입니다.
이러한 질문에 답하기 위해 크라이오닉스 연구소와 롱지시티(LongeCity)는 문제를 더 잘 이해하기 위한 일련의 실험을 지원했습니다. CI의 전 회장 벤 베스트가 초기 실험을 제안하고 실험 설계에 협력했습니다.
예비 실험에서는 세척 지연의 영향을 조사했습니다. 평가 지표는 피질의 관류 장애와 −130°C로 냉각한 후의 얼음 형성이었습니다. 세척이 지연된 시간, 즉 온허혈 시간이 길어질수록 MHP-2로 혈액을 치환하고 24시간 냉허혈을 거친 뒤의 관류 장애와 얼음 형성도 증가했습니다. 온허혈이 60분 또는 90분이었을 때는 광범위한 관류 장애가 발생했고 뇌가 완전히 얼었습니다. 이러한 결과는 온허혈의 영향을 나중에 장기보존액으로 혈액을 치환해도 되돌릴 수 없으며, 냉허혈과 이송 전에 혈액을 세척하는 이점은 법적 사망 선고 직후 적극적인 체외 냉각을 시작해야만 얻을 수 있음을 시사합니다.
초기 실험에 이어 우리는 12건의 실험을 수행했습니다. 여기서는 지연된 세척 과정에서 발생하는 재관류 손상 때문에 혈액을 세척하지 않는 절차보다 결과가 더 나빠질 가능성에 초점을 맞췄습니다.
이를 확인하기 위해 온허혈 시간을 각각 10분, 20분, 30분, 40분, 50분으로 둔 다음 24시간의 냉허혈 또는 24시간의 무혈 냉허혈을 적용했습니다.
실험을 쌍으로 비교한 결과, 온허혈 후 24시간의 냉허혈에 들어가기 전에 MHP-2로 혈액을 치환한 쥐에서는 혈액 세척을 하지 않은 쥐보다 얼음이 덜 형성되었습니다. 두 집단 모두 온허혈 시간이 길어질수록 얼음 형성 정도가 커졌습니다. 이는 혈액 세척이 정상 체온에서 혈액순환이 멈춘 데 따른 악영향을 되돌릴 수는 없지만, 동결보호제 관류 전의 무혈 저온 보관 중에는 여전히 이점을 줄 수 있음을 뜻합니다. 혈액을 그대로 남겨 두는 편이 세척하는 것보다 결과가 좋아지는 ‘전환점’은 관찰되지 않았습니다.
여기에는 몇 가지 가능한 설명이 있습니다.
- 세척을 시행한 실험에서는 비교적 따뜻한 온도에 머문 시간이 줄어 에너지 고갈이 늦춰지고 결과가 개선되었을 수 있습니다. 즉 ‘냉각’ 효과에 따른 설명입니다.
- 재관류 손상이 발생하지 않았거나, 혈액 치환의 이점을 상쇄할 만큼 심하지 않았을 수 있습니다. 즉 ‘재관류 손상이 없음’에 따른 설명입니다.
- 혈액 치환이 빠른 냉각과는 별개로 장시간 저온 보관 중의 결과를 개선하는 이점을 제공했을 수 있습니다. 즉 ‘저체온 상태의 혈액 치환’에 따른 설명입니다.
온허혈 시간이 길었던 환자에게 혈액 치환을 시행한 뒤 재관류 손상이 발생할 수 있다는 우려는 뇌허혈 및 재관류 손상에 관한 기존 연구를 고려하면 타당합니다. 우리가 수행할 수 있었던 실험의 수가 적어서 이러한 문제를 완전히 해결할 통계적 검정력은 부족합니다. 그러나 크라이오닉스의 현장 혈액 치환에 대한 적응증과 금기증을 확립할 후속 실험을 설계하는 데는 도움이 될 것입니다.
온허혈이 최대 50분인 경우 세척을 시행한 절차에서 개선된 결과가 관찰되었습니다. 온허혈 시간이 60분 이상으로 늘어난 실험에서는 두 절차 모두에서 뇌가 완전히 얼었습니다. 이는 혈액 세척이 추가 손상을 일으키지 않더라도, 인체 저온보존에서는 더 이상 이점을 줄 수 없는 시점이 있음을 보여 줍니다.
향후 연구 방향
크라이오닉스에서 사용하는 심폐 우회술과 일반 의학에서 사용하는 심폐 우회술의 차이점은, 혈액 세척 중에는 대개 환자에게 산소를 공급하지 않는다는 것입니다. 관류 중 산소 공급을 생략하는 일이 실제로는 지연된 혈액 세척에서 발생할 것으로 예상했던 재관류 손상을 막을 수 있다는 가설을 세울 수 있습니다. 이 가설은 다양한 온허혈 시간 후 세척과 비세척 절차를 비교할 뿐 아니라, 산소를 공급하면서 세척한 경우와 산소 공급 없이 세척한 경우를 구분해 비교함으로써 시험할 수 있습니다.
이번 실험에서 조사하지 않은 또 다른 현상은 저관류입니다. 크라이오닉스의 일반적인 환자는 질병으로 사망하기 전 오랜 임종 과정을 겪습니다. 낮은 뇌 관류압은 무산소 상태와 구별해야 하며, 이러한 상태가 이후의 혈액 세척 같은 안정화 절차에 어떤 영향을 미치는지는 아직 알려지지 않았습니다.
이번 연구에서 감수한 또 하나의 제한점은 세척 절차를 시작하기 전에 안정화 약물을 투여하지 않았다는 것입니다. 이러한 약물을 투여하면 현장 혈액 치환의 이점이 사라지기 전까지 허용되는 온허혈 시간이 늘어날 가능성이 있습니다.