미국에서 가장 혁신적인 소아 심장학 연구자들과 함께, 소아 심장 센터는 지역 사회와 전 세계에서 심장병을 앓고 있는 어린이들의 건강과 웰빙을 변화시키고 있습니다.
도프 맥엘히니, MD
루실 패커드 소아병원 스탠포드 소아심장센터 임상 및 전환 연구 프로그램 책임자
환자들이 여러 병원과 진료실에서 수집한 모든 진료 기록, MRI, 엑스레이, 검사 결과를 한데 모을 수 있다면 어떨까요? 의사와 연구자들은 대규모 데이터를 분석하여 어떤 통찰력과 패턴을 얻을 수 있을까요?
스탠포드 대학 의과대학의 심장흉부외과 교수인 도프 맥엘히니 박사는 그러한 연결된 세계에서 환자 치료가 어떤 모습일지 알아내기 위한 연구를 진행하고 있습니다.
맥엘히니의 설명처럼, 전자 환자 데이터와 데이터 수집 장치가 보편화되면서, 고처리량 분석을 활용하여 중요한 통찰력을 얻고 더욱 정확하고 개인 맞춤화되며 효과적인 의료 서비스를 제공할 수 있는 훌륭한 기회가 생겨나고 있습니다. 이러한 발전은 단심실 결손을 가진 소아와 같이 복잡하고 만성적인 질환을 가진 가장 취약한 환자에게 특히 중요합니다.
1년 전, 맥엘히니는 미국 스탠퍼드로 건너가 소아 심장 센터의 새로운 임상 및 중개 연구 프로그램(Clinical and Translational Research Program) 책임자로 부임했습니다. 미국에서 몇 안 되는 프로그램 중 하나인 이 혁신적인 프로그램은 루실 패커드 소아병원 스탠퍼드의 협력적인 소아 심장 연구를 위한 핵심 인프라를 제공하며, 임상의와 연구자들을 한데 모아 기초 과학 연구 결과를 의학 발전으로 전환하는 과정을 가속화합니다.
맥엘히니는 이러한 협력을 통해 새로운 연구 분야를 탐구하고자 합니다. "선천성 심장병을 앓는 소아와 성인의 치료에 있어 엄청난 발전이 있었지만, 여전히 해결되지 않은 문제와 이 분야를 발전시킬 수 있는 기회가 많이 있습니다."라고 그는 말합니다.
임상 및 전환 연구 프로그램은 환자의 기본적인 병태생리학, 평가 및 치료에 대한 조사, 새로운 의료 기기 및 기술 개발, 환자 기록의 정보를 분석하고 복잡한 임상 및 병리학적 과정에 대한 이해를 높이기 위한 빅데이터 활용을 추진하고 있습니다.
맥엘히니는 개인 맞춤형 의학이 심장 치료에 어떻게 적용될 수 있는지 밝히는 것을 목표로 합니다. "종양학자들은 돌연변이 유형에 따라 다른 약물을 사용하며, 이는 다양한 치료를 가능하게 합니다."라고 그는 말합니다. "선천성 심장병도 마찬가지일 수 있습니다. 환자에 대한 더 명확하고 세밀한 이해는 더욱 정교한 약물 치료를 가능하게 할 것입니다." 맥엘히니는 줄기세포 치료법을 선천성 심장 질환에 대한 유망한 치료법으로 연구하고자 하는 또 다른 분야로, 각 환자의 필요에 맞춰 개인 맞춤형 치료를 제공할 수 있습니다.
다행히 맥엘히니는 이러한 중요한 질문에 대한 답을 찾을 수 있는 최적의 위치에 있습니다. 임상 및 중개 연구 프로그램은 스탠퍼드 대학교에 자리 잡고 있습니다. 스탠퍼드 대학교는 이미 빅데이터를 활용하여 생물 의학 분야의 과제를 해결하고 질병의 진단, 치료 및 예방 방식에 전 세계적인 영향을 미치는 연구 중심 기관입니다.
맥엘히니는 "스탠퍼드는 창의적이고 진보적인 방식으로 정보를 활용하는 역동적이고 혁신적인 문화를 가지고 있습니다."라고 말합니다. "우리는 이러한 문화를 활용하여 심장 프로그램에서 독특한 성과를 거두고자 합니다. 우리는 정말 큰 성과를 거두고 있으며 많은 사람들을 하나로 모으고 있습니다."
맥엘히니는 소아 심장내과의 매력 중 하나는 소아 심장내과 전문의들이 다루는 해부학적, 생리학적 복잡성을 고려할 때 여전히 해결해야 할 과제들이 많다는 점이라고 말합니다. "아주 다양한 측면에서 배워야 할 것이 많습니다. 제가 처음 시작했을 때와는 전혀 다른 일이죠."라고 그는 말합니다. "그리고 10년 후에도 똑같지는 않을 겁니다."
앨리슨 마스든 박사
소아과(심장학) 및 생체공학 부교수
10년 전, 앨리슨 마스든 박사는 더 조용한 비행기 날개를 설계하고 있었습니다. 하지만 스탠퍼드에서 기계공학 박사 학위 논문으로 날개 최적화에 대한 논문을 완성하면서, 그녀는 박사후 연구 과정에서 좀 더 현실적인 연구를 하고 싶다는 것을 깨달았습니다.
결국, 그녀의 기계 및 항공우주 공학 분야 경력은 그녀의 현재 역할, 즉 선천적 심장병이 있는 어린이를 위한 더 나은 수술을 설계하는 데 완벽한 기반이 되었습니다.
"저는 좀 더 인간적인 분야에 적용할 수 있는 연구에 관심이 있었어요."라고 그녀는 말합니다. "그리고 아이들의 의학적 문제를 다루는 일이 저에게는 엄청난 동기 부여가 되었어요."
스탠포드 대학의 소아 심장 전문의이자 Dunlevie Family 소아과(심장학) 교수인 Jeffrey Feinstein, MD, MPH와 협력하여 Marsden은 심장학에 대해 배우고 Lucile Packard Children's Hospital에서 Feinstein의 순찰을 따라다니며 긴 시간을 보냈습니다.
스탠퍼드. "그는 마치 제가 의대생인 것처럼 질문을 던졌어요." 마스든은 웃으며 회상했다.
결국, 마스든과 파인스타인은 주요 협력자가 되었습니다.
캘리포니아 대학교 샌디에이고 캠퍼스에서 수년간 교수로 재직한 후 최근 스탠퍼드 대학교 심장내과 소아과 부교수로 복귀한 마스든은 유체 역학 지식을 활용하여 선천성 심장 기형 아동의 심장과 혈관을 통해 혈액이 어떻게 흐르는지 이해하고 있습니다. 그녀는 컴퓨터 시뮬레이션을 진단에 활용하기 시작했으며, 현재는 컴퓨터 모델을 활용하여 수술 절차를 개선하는 방법을 모색하고 있습니다.
파인스타인은 의학 문제에 대한 엔지니어링 솔루션을 구축하는 팀은 비교적 흔하지만, 마스든처럼 그러한 이론적 설계가 임상 환경에서 제대로 작동하도록 하는 것은 훨씬 더 어려운 과제라고 설명합니다. "마스든처럼 하기로 선택하고, 마스든만큼 잘하는 사람은 극소수입니다."라고 파인스타인은 말합니다. "소아 심장내과 교수진에 마스든이 있다는 것은 환자 치료를 더욱 발전시키고자 하는 저희 팀에 큰 자산입니다."
마스든의 연구는 엔지니어들이 비행기나 자동차의 새로운 디자인을 시험하기 위해 컴퓨터 코드를 사용하는 것처럼, 환자에게 적용하기 전에 컴퓨터에서 새로운 수술 디자인을 시험해 볼 수 있는 방법을 제공합니다. 마스든과 그녀의 팀은 단심실 결손을 가진 아이들이 생존하기 위해 거쳐야 하는 일련의 수술 중 마지막 단계인 폰탄이라는 수술 절차의 개선된 버전을 시뮬레이션했습니다.
폰탄 수술에서는 몸에서 심장으로 혈액을 돌려보내는 큰 정맥이 산소가 제거된 혈액을 폐로 보내는 동맥에 직접 연결되어 변형된 T자 모양의 연결부를 형성합니다. 이렇게 하면 한쪽 심장을 우회하여 순환이 단일 펌프실을 최적으로 활용할 수 있습니다. 마스든은 MRI 이미지 데이터에서 도출된 모델을 사용하여 컴퓨터 모델을 사용하여 폰탄 시술을 위한 Y자 모양의 새로운 연결부(Y-이식 폰탄이라고 함)를 설계하고 최적화했습니다. 컴퓨터 모델은 소아외과 의사들이 이 시술이 환자에게 도움이 되는지, 그리고 적당한 운동 시 환자의 심장이 어떻게 기능하는지 판단하는 데 도움이 될 수 있습니다.
"컴퓨터 모델링을 통해 고위험, 고수익 접근법을 시험해 볼 수 있습니다."라고 마스든은 말합니다. "환자에게 아무런 위험 없이 기존의 틀을 깨는 아이디어를 시험해 볼 수 있는 방법을 제공합니다."
Y-이식술 개선은 최근 6명의 환자를 대상으로 한 예비 연구에서 성공적으로 시험되었으며, 임상적 결과가 매우 양호했습니다. 마스덴은 이제 다른 소아 심장 수술에도 개선 및 새로운 접근법을 개발하기 시작했습니다.
"앨리슨의 연구는 우리가 다른 방식으로는 볼 수 없는 것들을 볼 수 있게 해 줍니다."라고 파인스타인은 말합니다. "시뮬레이션 기반 의학이라는 개념은 환자에게 전혀 위험하지 않은 방식으로 시도해 볼 수 있는 기회를 제공합니다. 이러한 유형의 컴퓨터 모델링을 사용하면 환자에게 시도하기 전에 100번의 시뮬레이션을 수행할 수 있습니다."
수쉬마 레디, MD
소아과 조교수(심장학)
작은 쥐 RNA 가닥이 선천성 심장 질환을 가진 아이들이 더 오래, 더 건강하게 살 수 있도록 도울 수 있을까요? 소아과 심장학과 조교수인 수쉬마 레디 박사는 그렇다고 말하며, 쥐 혈액에서 의사들에게 임박한 심부전을 경고할 수 있는 신호를 발견하고 있습니다.
레디는 의대생 시절 심장학에 처음 관심을 갖게 되었습니다. 왜 심장학일까요? 레디는 "심장학은 생리학이 정말 흥미진진하고 즉흥적으로 생각하게 만드는 분야입니다."라고 말합니다. 그 이후로 선천성 심장 질환 치료에 엄청난 발전이 있었고, 환자들은 20년 전보다 더 나은 삶을 살고 있습니다.
그녀는 "우리는 환자를 돕기 위해 기술적 경계를 계속 넓혀가고 있습니다."라고 말하며 아직도 답이 나오지 않은 의문이 많다고 덧붙였다.
레디는 특히 기능하는 심실이 하나인 단심실 심장 결손증이라는 질환을 가진 아이들에게 관심을 갖고 있습니다. 여러 차례의 복잡한 수술을 통해 상황을 개선했음에도 불구하고, 이 아이들은 여전히 두 개가 아닌 하나의 펌핑실을 가지고 있어 정상적인 심장을 가진 아이들만큼 건강하지 못합니다.
"어느 시점에 이 모든 아이들이 심부전을 겪게 됩니다. 모두 그렇죠."라고 레디는 설명합니다. 의사들은 심초음파와 심장 MRI를 사용하여 이 환자들의 심장 상태를 추적하지만, 이러한 영상 기술로는 초기 증상들을 감지하기 어려울 수 있습니다. 심부전의 임상적 증거가 나타날 때는 이미 질병이 상당히 진행된 상태이며, 대부분의 의학적 치료법은 이 과정을 되돌리는 데 효과가 없습니다.
레디는 인간 선천성 심장병 환자의 증상을 모방하는 생쥐의 심장 결함을 연구하여 이 문제를 해결하고 있습니다. 특히 그녀는 심부전을 매개하는 유전자와 단백질을 조절하는 기전을 연구합니다. 그녀는 미세한 RNA 가닥, 즉 마이크로RNA가 임박한 심부전의 지표 중 하나임을 발견했습니다. 레디는 "우리는 중요하다고 생각되는 마이크로RNA 그룹을 발견했습니다."라고 말합니다. "이들은 심장이 현재 사용하는 방법보다 훨씬 빨리 대상부전이 시작되는 시점에 대한 단서를 제공합니다. 심장병 소아 환자를 대상으로 한 초기 데이터를 통해 이러한 바이오마커가 질병 진행을 예측하는 데 유용하다는 것을 보여줍니다."
그녀는 현재 다른 센터들과 협력하여 쥐에서 확인한 혈액 바이오마커가 더 큰 규모로 어린이에게도 존재하는지 확인하고 있습니다. 그녀는 선천성 심장병 환자의 상태를 가장 완벽하게 파악하기 위해 혈액 바이오마커 검사와 기존 영상 검사를 병행하는 것이 최선의 방법이라고 말합니다.
레디의 연구는 최근 미국 국립보건원(NIH)의 K08 보조금인 멘토링 임상과학자 연구 경력 개발상(Mentored Clinical Scientist Research Career Development Award)을 수상하면서 큰 힘을 얻었습니다. 이 보조금은 향후 5년간 심부전 기전 이해 및 바이오마커 개발 연구에 사용될 예정입니다. 스탠퍼드 대학교 재학 초기 몇 년 동안 레디는 아동심장재단(Children's Heart Foundation)의 보조금과 CVICU(CVICU) 기부금 등 민간 재원에 의존하여 연구비를 조달했습니다. 이러한 초기 보조금과 기부금 덕분에 예비 데이터를 확보할 수 있었고, 이를 활용하여 명망 높은 NIH 보조금을 성공적으로 획득했습니다. "지금의 자리에 오를 수 있었던 것은 바로 민간 자금 덕분입니다."라고 그녀는 말합니다.
레디는 환자들이 새로운 접근법을 기꺼이 시도하는 모습에 감탄한다고 말합니다. "제가 보는 아이들과 가족들이 정말 놀랍습니다."라고 그녀는 말합니다. "그들은 병을 가지고 태어나 평생 그 병을 안고 살아갑니다. 그들을 돌보는 것은 영광스러운 일이며, 그들의 끈기는 제가 최선의 치료법을 찾도록 동기를 부여합니다."
이 기사는 2015년 가을호에 처음 게재되었습니다. 루실 패커드 어린이 뉴스.
