An Open-Source Platform for Multimodal Electrical and Optical Mapping of Ex Vivo Hearts

심장은 펌프이지만, 동시에 전기 기계이기도 합니다. 심장 박동이 일어나기 위해서는 전기 파동이 근육을 통해 매끄럽게 이동하며 세포들에게 언제 수축해야 할지를 알려주어야 합니다. 이 전기 신호가 엉키거나 차단되면 심장은 너무 빠르게 뛰거나, 너무 느리게 뛰거나, 혹은 부정맥이라고 알려진 혼란스러운 리듬을 보일 수 있습니다. 의사들은 이러한 위험한 리듬을 치료하기 위해 심장의 전기 활동을 매핑하며, 신호가 잘못되는 정확한 지점을 찾아 카테터를 통해 이를 해결하려고 노력합니다. 그러나 의사들이 표면에서 보는 전기 신호는 실제 근육 내부에서 일어나고 있는 일의 흐릿한 버전인 경우가 많습니다. 이는 마치 벽에 비친 그림자만을 보고 군중의 움직임을 이해하려는 것과 같습니다. 형태는 존재하지만, 세부 사항은 소실된 상태입니다. 이러한 위험한 리듬이 어떻게 시작되고 어떻게 멈출 수 있는지 진정으로 이해하기 위해서, 과학자들은 심장의 전기 활동과 물리적 구조를 동시에, 완벽한 선명도로 관찰할 필요가 있습니다.

연구진은 과학자들이 정확히 이 작업을 수행할 수 있도록 하는 새로운 오픈 소스 플랫폼을 구축했습니다. 이 플랫폼은 체외에서 관류 중인 장기를 대상으로 심장의 전기 신호와 물리적 구조를 동시에 관찰할 수 있게 해줍니다. 최근 연구에 발표된 이 시스템은 작은 토끼부터 큰 돼지, 그리고 이식에 적합하지 않은 인간의 심장에 이르기까지 다양한 크기의 심장에 작동하도록 설계되었습니다. 연구진은 세 가지 서로 다른 관찰 방식을 결합한 설정을 만들었습니다. 첫째, 고속 카메라와 특수 염료를 사용하여 전기 파동이 심장 근육을 가로질러 이동하는 모습을 실시간으로 관찰하여 활성화에 대한 상세한 지도를 생성합니다. 둘째, 심장 표면에 닿는 미세 전극을 사용하여 환자의 시술 과정에서 측정되는 방식 그대로 전기 신호를 기록합니다. 셋째, 심장을 인체와 유사한 전도성 액체가 담긴 탱크에 넣어, 의사가 환자의 피부에서 보는 것처럼 원거리에서 전기장을 기록합니다. 이 모든 측정값을 동기화함으로써, 팀은 동일한 심박동 동안 표면에서 일어나는 일, 근육 깊은 곳에서 일어나는 일, 그리고 주변 액체 속 멀리 떨어진 곳에서 일어나는 일을 비교할 수 있습니다.

플랫폼은 서로 다른 심장 크기가 가진 고유한 과제들을 처리하기 위해 세 가지 구성으로 테스트되었습니다. 토끼와 같은 작은 심장의 경우, 연구진은 여러 각도에서 전체 장기를 포착하는 설정을 사용했습니다. 그들은 심장을 탱크에 넣고 세 대의 카메라를 사용하여 파노라마 뷰를 확보하는 동시에, 전극이 심장에 닿게 하고 탱크 안의 센서가 원거리 신호를 기록하게 했습니다. 이를 통해 전기 파동이 심장 전체를 어떻게 가로질러 이동하는지, 그리고 그 움직임이 전극과 탱크에 기록되는 신호로 어떻게 변환되는지를 볼 수 있었습니다. 돼지와 인간의 심장처럼 더 큰 심장의 경우, 연구진은 커진 장기에 맞춰 시스템을 조정하면서도 구조를 온전하게 유지했습니다. 대형 심장 전체 장기 구성에서는 투명한 전극 인터페이스를 사용하여 카메라가 탱크 벽을 통해 광학 데이터를 포착하고 주변 액체의 전위(electrical potentials)를 동시에 측정할 수 있도록 했습니다. 별도의 대형 심장 구성에서 연구진은 심장을 분리하여 내측 표면과 외측 표면을 동시에 관찰했는데, 이는 살아있는 환자에게서는 불가능한 일입니다. 이 설정은 특히 심방세동과 같은 혼란스러운 리듬이 발생할 때, 심장 내부의 전기 패턴이 외부와 매우 다를 수 있음을 드러냈습니다.

연구진은 정상 리듬, 빠른 박동, 그리고 혼란스러운 심방세동을 포함한 다양한 상태에서 심장을 기록함으로써 시스템이 작동함을 입증했습니다. 그들은 심장의 전기를 측정하는 서로 다른 방법들이 항상 같은 이야기를 들려주는 것은 아니라는 점을 발견했습니다. 예를 들어, 고해 resolution 카메라 뷰는 매끄럽고 연속적인 활성화 파동을 보여준 반면, 특정 지점에만 닿아 있는 전극은 점들을 연결하기 위해 컴퓨터 보간법(interpolation)이 필요한 더 흩어진 모습을 보여주었습니다. 탱크에서 기록된 신호는—전기장이 유체를 통과한 후의 모습을 나타내는데—심장 근육의 복잡한 패턴이 신체 표면에 도달하기 전 어떻게 부드러워지고 변형되는지를 보여주며 훨씬 더 다르게 나타났습니다. 이러한 차이는 오류가 아니라, 각 방법이 전기 활동의 서로 다른 측면을 측정하기 때문에 발생하는 실제 물리적 현상입니다. 이 플랫폼은 과학자들이 이러한 차이점을 나란히 비교할 수 있게 하여, 왜 어떤 치료법이 지도상으로는 좋아 보임에도 불구하고 환자에게는 예상대로 작동하지 않을 수 있는지 이해하도록 돕습니다.

이 연구가 특히 중요한 이유는 연구진이 전체 시스템을 대중에게 공개했다는 점입니다. 그들은 소프트웨어, 전자 설계, 그리고 기계적 청사진을 공유하여 다른 실험실에서도 자신들만의 버전의 플랫폼을 구축할 수 있도록 했습니다. 이는 복잡한 장비를 독점하거나 단일 팀에 의해서만 제작되는 일반적인 관행에서 벗어난 것입니다. 재현 가능한 프레임워크를 제공함으로써, 저자들은 심장 리듬 연구를 가속화하고 의사들이 진단 및 치료에 사용하는 방법을 개선하기를 희망합니다. 이 시스템은 심장 질환을 즉각적으로 치료하는 마법 같은 해결책은 아니지만, 심장의 물리적 구조와 전기 신호 사이의 복잡한 관계를 이해하기 위한 강력한 새로운 도구를 제공합니다. 이는 실험실에서 과학자들이 볼 수 있는 고해상도 이미지와 임상에서 의사들이 보는 전기 신호 사이의 간극을 메워, 심장의 전기 시스템이 잘못되었을 때 어떻게 작동하는지에 대한 더 명확한 그림을 제공합니다.

또한 이 연구에는 실험이 끝난 후 심장의 형태에 대한 3차원 모델을 만드는 방법이 포함되었습니다. 심장을 천천히 회전시키면서 모든 각도에서 사진을 찍음으로써, 팀은 실험에 사용된 장기와 정확히 일치하는 디지털 메쉬(digital mesh)를 구축할 수 있었습니다. 이 모델은 연구자들이 전기 및 광학 지도를 실제적인 형태 위에 배치할 수 있게 하여, 신호가 어디에서 오는지 시각화하는 것을 더 쉽게 만들어 줍니다. 이 모델은 심장의 외부만을 보여주며 근육 내부나 숨겨진 틈새를 볼 수는 없지만, 데이터와 물리적 실체 사이의 결정적인 연결 고리를 제공합니다. 연구진은 이 플랫폼이 향후 연구를 위한 토대이며, 과학자들이 새로운 매핑 기술을 테스트하고 다양한 유형의 심장 조직을 통해 전기 신호가 어떻게 전달되는지 더 잘 이해할 수 있게 해준다는 점을 강조했습니다.

결국, 이 작업은 심장을 바라보는 서로 다른 방식들을 하나로 모으는 것에 관한 것입니다. 수년 동안 과학자들은 카메라를 통해 심장을 정밀하게 보거나, 혹은 의사들이 전극을 통해 사용하는 전기 신호를 측정하는 것 중 하나를 선택해야만 했습니다. 이 새로운 플랫폼은 그러한 선택을 없애고, 두 가지가 동시에 일어날 수 있게 합니다. 이는 표면에서 기록된 전기 신호가 근육 내부에서 일어나는 일의 복잡한 반영임을 보여주며, 이러한 관계를 이해하는 것이 심장 리듬 장애에 대한 더 나은 치료법을 개발하는 핵심임을 보여줍니다. 이 기술을 개방적이고 적응 가능하게 만듦으로써, 연구진은 심장 부정맥의 미스터리를 해결하는 데 도움을 줄 수 있는 공유 자원을 만들어냈습니다. 심장은 여전히 복잡하고 필수적인 장기이지만, 이러한 도구와 함께 우리는 이전에는 닿을 수 없었던 선명도로 그 전기적 생명력을 보기 시작하고 있습니다.