경피증 안면변형 재건: 3D 프린팅 조직재생 사례와 장기 추적 과제
이 경피증 재건 사례는 어떻게 계획했나요?
3D CT에서 정상측과 환측을 비교해 부족한 볼륨을 측정하고 뼈와 연부조직으로 재건할 부분을 구분해 모델링했다고 설명합니다.
경피증 (Scleroderma) 안면기형 환자 3D프린팅 조직재생 수술방법성형외과 전문의 백정환 — 사례와 설명
백정환입니다. 앞선 포스팅에서 코재건수술 방법으로 활용되는 3D 프린팅 조직재생 수술방법에 대해 설명 드렸습니다. https://blog.naver.com/ys100ps/221366023183
오늘은 경피증 (Scleroderma) 라고 불리는 질환을 겪고 있는 환자에서 시행된 3D 프린팅 조직재생술 에 대해서 설명 드리겠습니다. 다소 긴 내용이지만, 동영상 참고해 주시기 바랍니다.
다소 긴 내용이지만, 천천히 참고해 주시기 바랍니다.
많은 성형외과 의사에게 있어서 항상 문제가 되는 부분은 다름아닌 Defect (결손) Deficiency (부족) 이 아닐까 합니다.
교과서적으로나 성형외과 역사적으로도 위 사진과 같은 코 결손 환자에서 이마피판술 이나 상완피판술 이 오래전에 기술될 정도로 Defect (결손) Deficiency (부족) 문제는 이전부터 현재까지 환자와 성형외과 의사 모두에게 숙제로 남아 있었습니다.
가장흔하게 보는 수술인 피부이식술 입니다. 화상이나 외상으로 인한 피부 결손시 가장 많이 사용하는 방법입니다.
악안면 종양시 결손 부위를 재건하기 위해 가장 많이 사용하는 Fibula Free flap 이라는 수술 입니다.
21세기 들어 성형외과 의사에게 가장 도전적인 수술로 평가 받는 안면이식수술 과 현재 윤리적으로 의학적으로 많은 논란이 있는 두개골이식 수술 도 연구되고 시행을 앞두고 있습니다.
영화적 상상 속에서도 1982년에 제작된 블레이드러너 라는 영화에서 그린 2019년 모습은 장기 정도는 얼마든지 재생할 수 있을꺼라 예상했던 듯 합니다. 하지만, 2018년 현재 장기재생이나 생산은 아직은 요원한 것 또한 사실입니다. 2017년에 영화적 상상은 2049년으로 시간을 조금더 미뤄놓고 있습니다. 2049년 정도 되면, 단순한 장기가 아닌 종 (Species)를 만들 수 있으리라 상상하고 있습니다. . 다만 현실적으로는 아직은 넘어야 할 기술적, 윤리적, 제도적 벽이 많이 남아 있습니다.
세포, 조직, 기관, 종 이 일련의 생명체에 대한 연구는 현재 세포단계에서 조직으로 넘어 가고 있는 걸음마 단계 입니다. 마치 인류가 만들어온 집의 역사와 비슷하지 않을까 합니다. 단층 짜리 움막을 이제 막 벗어난 정도의 수준이 현재 생명공학연구의 위치 입니다.
위 사진과 같은 초고층 빌딩은 단순히 단층짜리 집을 층층히 쌓는 것이 아닙니다. 측량학, 구조역학, 토목공학, 풍력학 등등 수많은 하이테크 기술이 집약된 것이 초고층 빌딩입니다. 개념적으로는 단순 움막이 세포(Cell) 수준이라면, 초고층 빌딩은 장기(Organ) 수준이 아닐까 합니다.
실험실에서 세포는 배양시에 한층으로만 자라는 성질이 있습니다. 간혹 겹겹이 자라는 경우가 있지만, 이경우는 정상 세포가 아닌 암세포의 경우 입니다.
이렇듯 한층으로만 배양되거나 자라는 세포를 겹겹히 쌓아 올리는 기술이 3D바이오프린팅 기술 입니다. 바이오잉크라는 매개체를 통해서 3D프린팅 기술이 응용하여 세포를 출력하는 현재 가장 많은 연구가 지속되고 있는 분야 입니다.
향후에는 이렇게 장기를 직접 생산하는 것도 헛된 꿈만은 아닐듯 합니다. 다만, 그 시기는 영화적 상상과는 거리가 좀 있을 듯 합니다.
최근 3D 바이오프린팅이 이슈가 되면서 만들어진 삽화 입니다. 수술하면서 필요한 장기를 수술방에서 즉각 만들어서 쓸수 있을꺼라는 상상이지요.....
하지만, 앞서 말씀 드린대로 현실은 아직 걸음마 단계입니다.
올해초 중국에서 나온 귀연골재생에 관한 논문 입니다. 개인적으로 굉장히 약오르고.... 속상하고 부러웠던 논문 내용 입니다. 국내에서는 법적, 제도적 제한으로 이러한 수술은 머리속에서만 가능했습니다. 그런데..... 2014년 정도에 이미 중국에서는 이러한 수술을 시행했다는 사실이 부럽고 속상했습니다. 자세한 내용은 동영상 참고하시기 바랍니다.
3D 스캔을 통해 정상귀의 모습을 만들고 미러링을 해서 모델링을 한후에 몰드를 만들고 그 몰드를 통해 스캐폴드(scaffold)를 제작하는 방식 입니다. 스케폴드는 초기 1달 정도에 세포 부착을 좋게 하기 위해서 PGA 라는 녹는 폴리머를 사용하였고, 그 내부에 골격 구조 로 PCL 이라는 녹는 폴리머를 사용하였습니다.
그렇게 PGA + PLA + PCL 을 합쳐 놓은 스캐폴드가 정상 연골과 유사한 강도를 가진다는 것을 보여주는 자료 입니다.
조직 재생 분야는 위 사진처럼 작은 불씨를 큰 장작불로 바꾸는 기술임과 동시에 옆으로 불이 번지지 않도록 돌을 둘러쌓은 것처럼 제어하는 기술이 동시에 필요한 복잡한 내용이 숨어 있습니다.
올초 발행된 중국의 수술 결과 사진입니다. 수술 후 30개월 사진까지 보고된 것을 보면 최초 수술은 2014년 즈음이 아닐까 생각됩니다.
많은 다세포 생명체는 위 사진과 같이 골격구조를 필수적으로 필요로 합니다. 내골격 (Endoskeleton) 을 가진 동물과 외골격 (Exoskeleton) 을 가진 동물로 구분이 됩니다. 이러한 골격구조가 필요한 이유는 세포가 모여 조직이 될때 세포간 결합이 필요하고, 조직이 모여 장기가 될때 조직간 결합이 필요하고, 장기가 모여 종이 될때 장기간 결합이 필요하기 때문입니다. 이러한 결합을 유지시켜 주는 것이 골격구조로 세포간 결합은 ECM 이라 불리는 extracelluar matrix 가 그 역할을 하게 되고 조직간 장기간 결합은 Connective tissue가 그 역할을 하며, 이때 필요한 것이 Skeletal support 입니다.
올초 발행된 논문 이전에도 이러한 구조적인 안정성을 확보하기 위해 금속 와이어를 사용한 방식이 시도 되곤 했습니다. 마치 구체 인형 처럼 말이지요.....
현재 이러한 연구과정에서 가장 화두가 되는 것이 자가조직 vs 이물질 (타가조직, 보형물) 녹는재료 vs 녹지않는 재료 의 논란이 아닐까 합니다. . 위 첨부한 사진처럼 자가조직으로 가는 과정에서 녹는 이물질재료를 활용한 중간단계의 연구가 현재 활발히 진행되고 있습니다. 마치 내연기관과 전기모터의 이행과정에서 Hybrid engine이 개발되는 과정과 유사합니다. . 이러한 다소 개념적이고 추상적인 지식을 바탕으로 아래 시행된 수술을 이해해 주시길 바랍니다.
경피증 환자의 결손과 재건 계획
경피증 (Scleroderma) 라는 원인미상의 자가면역 질환을 앓고 있는 환자 입니다. 6년전에 병을 발견했고, 성장과 병의 진행이 반복되면서 성인이 된 현재 두개골과 이마, 안와, 광대, 사각턱, 볼 까지 병이 진행하여 안면변형 (안면기형) 이 만들어 진것을 확인할 수 있습니다. . 개업가에서 이러한 환자를 수술한다는 것은 사실 피해야 하는 일임을 지난 10여년의 개업의사 생활에서 누구보다 뼈저리게 느끼고 있습니다. . 올초 위 환자를 처음 진료실에서 봤을때 부터 수술을 어떻게하면 안할까를 고민했던것이 사실이었음을 고백 합니다. 다만, 위 사진처럼 환자의 3DCT를 본후에..... 두개골 뼈두께가 채 1mm 밖에 되지 않는 상태인것을 확인하고는 뭐라도 해줘야 한다는 생각이 지배했던듯 합니다. . 그래도 두려움과 걱정이 있어 환자와 보호자에게 여러 대학병원 성형외과, 피부과 진료를 받아보시라고 권했고, 여러곳에서 환자분이 얻은 해결책은 예상과 같이 지방이식, 필러, 유리피판술 정도가 전부였던 듯 합니다. . 위 방법이 틀린것은 아니지만, 그 예상 결과는 환자가 바라는 모습의 결과도 아니었고, 제가 예상하기로도 환자에게 큰 도움이 되지 못할 듯하여, 많은 위험부담을 가지고, 수술을 진행하기로 결정하였습니다.
정상측 비교 모델링과 볼륨 설계
먼저 환자의 3D CT를 통해 뼈의 부족부분과 연부조직의 부족 부분을 확인한 모델링 결과 입니다.
우측 정상부위와 비교해서 좌측 환측 부위의 볼륨 부족을 측정해 본 내용 입니다.
정상측을 기준으로 필요한 볼륨을 모델링 하는 과정 입니다.
필요한 볼륨 디자인에서 뼈로 재건할 부분과 연부조직으로 재건할 부분을 고려해서 디자인을 수정한 모습입니다.
뼈로 재건할 부분과 부족한 볼륨의 차이가 연부조직 재건시 필요한 볼륨이기에 수술 전 필요한 볼륨을 측정하여 진피이식, 필러주입 과정에 기준으로 삼았습니다.
PCL·TCP 출력물과 이식 재료
부족한 뼈볼륨 회복을 위한 PCL+TCP(Tricalcium Phosphate, 인산삼칼슘) 재료로 3D프린팅된 두개골 보형물 모습입니다.
PCL+TCP(Tricalcium Phosphate, 인산삼칼슘) 재료로 3D프린팅된 광대골과 관자놀이 보형물 모습입니다.
PCL+TCP(Tricalcium Phosphate, 인산삼칼슘) 재료로 3D프린팅된 하악골 보형물 모습입니다.
이렇게 3D프린팅된 다공성 PCL+TCP 복합 보형물에 삽입할 장골 해면골 (iliac cancellous bone ) 합성 HA (Hydroxy apatite) 사체진피 (ADM : Accelluar dermal matrix ,AlloDerm) 골형성 단백질 (BMP : Bone morphogenetic protein) 의 모습입니다. 이렇게 준비한 재료를 실제로 수술중 디자인된 부위에 삽입 하였습니다. 자세한 내용과 사진은 동영상 참고하시기 바랍니다.
수술 1개월 영상과 초기 결과 분석
수술 후 한달 CT에서 삽입된 보형물의 모습이 디자인된 위치와 형태로 삽입된 것을 확인할 수 있습니다.
수술 전 모습과 수술 계획, 수술 후 모습입니다. 수술디자인과 정확하게 일치한 모습을 보여주고 있습니다.
피부음영에서도 수술계획과 큰 차이 없이 수술이 진행된 결과를 보여주고 있습니다.
각 부위별 디자인된 볼륨과 1달 수술 결과에서 차이를 분석해 본 내용입니다. 수술 후 부기를 고려하면 대략 8cc 미만의 볼륨 차이를 보이고 있습니다.
표면 두께오차를 분석한 내용에서 모든 부위에서 2mm 이내의 오차를 보이고 있는 모습을 보이고 있습니다.
수술 전후 정면 모습입니다.
수술 전후 좌측면 모습입니다.
수술 전후 좌사면 모습입니다.
수술 전후 좌사면 모습입니다. 결손부위 피부로 가는 혈류를 최대한 확보하기 위해 혈관이 다치지 않도록 굉장히 주의 했고, 절개부위를 뒤쪽으로 여유를 줘서 결손이 가장 심한 부위의 피부로 가는 혈류를 최대한 확보하고자 계획했습니다. 절개창은 수술 후 한달 모습으로 시간이 지나면서 점점 편평해 지리라 생각됩니다.
수술 전후 고개를 약간 숙인 모습입니다. 두개골 함몰 부위와 안와골 부위의 함몰이 많이 교정된 모습을 볼 수 있습니다.
수술 전후 고개를 약간 든 모습입니다. 두개골 함몰 부위와 이마, 안와골 부위의 함몰이 많이 교정된 모습을 볼 수 있습니다.
수술 전후 고개를 든 모습입니다. 수술 전에는 보이지 않던 안와부위와 광대부위, 하악각 부분이 관찰되는 것을 확인 할 수 있습니다.
수술 전후 정면 3DCT 뼈 음영 모습입니다.
수술 전후 측면과 사면 3DCT 뼈 음영 모습입니다.
수술 전후 고개를든 3DCT 뼈 음영 모습입니다.
장기 추적과 조직재생 확인 과제
수술 전후 위쪽에서 본 3DCT 뼈 음영 모습입니다 . . 오늘 설명 드린 내용은 다소 실험적이고 많은 부담이 있었던 수술입니다. 수술 실패시에 감당해야 할 요소가 너무 컸기 때문이 아닐까 합니다. . 이환자분의 수술 결과는 향후 3-4년은 지켜 봐야 완전한 결과를 말씀 드릴 수 있을듯 합니다. 그 이유는 PCL 재료가 완전히 분해되어 없어지는데 3-4년이 필요하기 때문입니다. . 향후 1년에 한두번 정도 계속해서 3DCT를 통해서 뼈가 잘 생성되는지 여부와 생성된 뼈가 HA와 잘 유합되는지를 확인해야 합니다. . 지금은 수술 후 2개월이 조금 넘었고, 현재로서는 굉장히 만족스러운 결과를 보여주고 있습니다.
이러한 수술 방법이 단순한 미용성형 실패 환자뿐만 아니라 위 표에 열거한 수많은 선천성 안면기형 증후군 환아에게 도움이 될 수 있는 방법이 되길 희망해 봅니다. 우리주변에 적지 않은 트리처콜린 증후군, 삐에르로빈 증후군, 소이증 등의 환아에게 시도해 볼 수 있지 않을까 생각됩니다. . 아직은 시작단계이고 넘어야 할 산과 확인해야 하는 부분들이 남아 있지만, 선천성 안면기형 환자들에게 작은 희망의 불빛이 되길 희망합니다. . 이 험난한 과정에 함께 고생해 주신 T&R BIoFab (티앤알바이오팹) 윤원수 대표님 심진형 이사님 이정석 연구원 CG bio 유현승 대표님 Allolife 최유진 이사님 KIMS(재료연구소) 윤희숙 박사님 Alberteinstein Hospital 조우진 박사 Anymedi solutions(애니메디솔루션) 최윤정 연구원 감사 드립니다. . 무엇보다 많은날 눈물흘리신 보호자분과 마음조리며 기다려준 환자분께 감사말씀 드립니다.
자주 묻는 질문
이 경피증 재건 사례는 어떻게 계획했나요?
3D CT에서 정상측과 환측을 비교해 부족한 볼륨을 측정하고 뼈와 연부조직으로 재건할 부분을 구분해 모델링했다고 설명합니다.
수술 1개월 후 분석에서 어떤 수치를 제시하나요?
원문은 부기를 고려한 볼륨 차이를 약 8cc 미만, 표면 두께 오차를 각 부위 2mm 이내로 제시합니다. 해당 사례의 초기 분석값입니다.
최종적인 조직재생 결과가 확인된 사례인가요?
원문 작성 당시 수술 후 2개월을 조금 넘긴 상태로, 3~4년 추적과 CT를 통한 뼈 생성·유합 확인이 필요하다고 명시합니다. 실험적 수술의 초기 경과를 다룬 글입니다.
