수면무호흡증 치료를 위한 횡격막신경자극(PNS)기기 개발동향

수면 무호흡증은 일반적으로 폐쇄성수면무호흡증(obstructive sleep apnea, OSA)와 중추성수면무호흡증(Central Sleep Apnea, CSA)으로 분류된다. 종종 수면무호흡증이 있는 사람들은 폐쇄성과 중추성이 복합적으로 나타난다. OSA는 신체가 호흡을 시도하나 호흡통로가 좁아지거나 막히면서 공기가 자유롭게 흐르지 않아 발생한다. OSA는 수면중에 신체의 특징이나 가슴과 목의 근육이완으로 인해 발생할 수 있다. CSA은 뇌가 호흡근육(횡격막)이 활성화되도록 신호를 보내지 못할때 발생한다. 정상인의 경우 뇌는 호흡근육(횡격막)에 규칙적인 간격으로 수축신호를 보낸다. 호흡신호는 뇌간에서 횡격막으로 이동하여 수축을 유발한다. 횡경막의 수축은 공기를 폐로 끌어들인다. CSA 환자의 경우 뇌가 횡격막에 규칙적인 신호를 보내지 못하여 약 10~40초간 일시적 호흡정지가 발생한다. 심장장애 및 오피오이드를 포함한 약물 등이 CSA의 주요 원인으로 제시된다.

하바드대학의 Stanley J. Sarnoff 교수팀이 자발적 호흡활동이 없는 경우 횡경막 신경 자극으로 인공 호흡이 가능할 수 있음을 1948년에 발표하였다. 이 연구를 기반으로 예일대 William WL Glenn 교수팀이 횡격막 신경자극(phrenic nerve stimulation, PNS)의 실제 응용 프로그램을 개발하고, 이를 1968년에 발표하였다. PNS 기기는 외과적으로 이식된 수신기와 이식된 수신기 위에 착용된 안테나에 의해 외부 송신기에 결합된 전극으로 구성된다. 배터리로 작동하는 외부 송신기는 수신기 위에 있는 피부에 배치 된 안테나를 통해 수신기에 무선 주파수 에너지를 보낸다. 수신기는 이 에너지를 횡격막 신경으로 향하는 전류로 변환하여 횡격막을 수축시킨다. 수술은 자궁경부 또는 흉부접근을 통해 수행할 수 있다.

듀크대 Andrew Spector 교수팀은 PNS 수술을 받은 200명의 중앙수면무호흡증(Central Sleep Apnea, CSA) 환자를 조사하여 CSA 심각도, 수면의 질 및 삶의 질이 크게 개선되었다는 연구결과를 2019년에 발표하였다.

에이버리 바이오메디칼(Avery Biomedical Devices)은 1935년 설립되었다. 예일대 William WL Glenn 교수의 연구를 기반으로 PNS기기인 마크IV 호흡심박조절기(Mark IV Breathing Pacemaker)를 개발하고 호흡의 신경통제기능 상실 환자 치료용으로 1987년 FDA 승인을 받았다.

시냅스 바이오메디칼(Synapse Biomedical)은 케이스웨스턴리저브대(CWRU)와 클리브랜드 대학병원에서 20여년간 연구로 개발된 뉴Rx 다이어프램 페이싱 시스템(NeuRx Diaphragm Pacing System, DPC)의 상업화를 위하여 2002년 설립되었다. DPS는 호흡을 인공호흡기에 의존하게 되는 척수손상환자를 위한 대체치료법으로 설계되었다. ALS의 호흡기 문제 치료용으로 2011년 미국 FDA의 승인을 받았다. ALS로 인하여 횡격막근육에 대한 횡격막신경이 손상되면 환자는 인공호흡기없이 호흡할 수 있는 능력을 잃게된다. ALS에서 NeuRx DPS는 최소 침습성 복강경수술을 통해 이식되며 횡경막 근육에 전기 자극을 제공한다.

레스피카디아(Respicardia)는 의사인 Danny Sachs가 호흡 및 심혈관 건강을 위한 임플란트 기기를 개발하려는 목적으로 2006년 설립하였고, 1억 5,420만 달러의 투자를 유치하였다. 레스카피아의 리메드 시스템(remede System)은 2017년 CSA 치료용으로 FDA 승인을 받았다. 이 시스템은 2021년 1월 미국 동부지역의 하이마크(Highmark) 보험의 적용대상이 되었다고 발표하였다

아트로테크(Atrotech)는 의학과 바이오엔지니어링의 학제적 제품 아이디어의 결과로 1984년 핀란드 탐페레에서 설립되었다. 아트로테크의 PNS는 인공호흡이 필요한 환자 치료용으로 2013년 CE 마크를 받았다.

렁페이서 메디칼(Lungpacer Medical Inc)은 캐나다 밴쿠버에서 PNS 개발을 목적으로 설립되었다. 렁페이서의 PNS는 아직 정식 승인을 받지 못했고, 2020년 COVID-19 전염병기간 동안 인공호흡이 필요한 COVID-19 고위험 환자에 대하여 미국 FDA 응급사용승인을 받았다.