혈액투석은 신장 기능이 저하된 말기 신부전 환자들의 생명을 연장시키는 중요한 신대체요법입니다. 혈액투석기와 투석막은 이 과정에서 핵심적인 역할을 합니다. 본 글에서는 혈액투석기의 다양한 분류, 각 유형별 장단점, 그리고 투석막 관련 용어에 대해 상세히 알아보겠습니다.
혈액투석기의 역사적 발전
혈액투석의 역사는 1913년 Abel과 그의 동료들이 개발한 'vividiffusion'으로 시작되었습니다. 이후 1945년 네덜란드 의사 윌리엄 콜프(Willem Kolff)에 의해 셀로판 막을 이용한 회전 드럼 투석기(rotating drum dialyzer)가 개발되면서 혈액투석이 임상의학으로 정착하는 계기가 마련되었습니다. 1960년대에 들어 리처드 스튜어트(Richard Stewart)가 속이 빈 섬유형 투석기인 중공사형 투석기(hollow fiber dialyzer)를 고안하면서 현대적인 혈액투석기의 기틀이 마련되었습니다
혈액투석기의 분류
혈액투석기는 구조와 작동 방식에 따라 크게 세 가지 유형으로 분류할 수 있습니다:
1. 중공사형 투석기(Hollow Fiber Dialyzer)
중공사형 투석기는 현재 가장 널리 사용되는 투석기 유형입니다.
구조
내경이 200-250μm, 두께가 10-30μm 정도로 매우 얇은 섬유 다발로 구성
약 10,000-15,000개의 중공사가 한 투석기에 포함되어 있음
표면적은 1.3-2.0m²에 이름
장점
투석기의 표면적에 비해 보유 혈류량이 적음
혈류에 대한 저항이 낮음
막통과압(TMP)이 증가하더라도 모양이나 보유 혈액량이 증가하지 않음
초여과율을 정확히 조절 가능
단위체적당 충전되는 막의 면적을 크게 할 수 있어 소형화 및 성능향상이 가능
단점
준비 시 공기 제거가 필요
EO 소독 시 알레르기 반응 유발 가능성 (최근에는 스팀 소독이나 감마선 소독 방식 이용)
2. 평판형 투석기(Parallel Plate Dialyzer)
평판형 투석기는 1947년 레너즈(Leonards)와 스케그즈(Skeggs)에 의해 최초로 개발되었습니다.
구조
투석막이 샌드위치와 같이 여러 층으로 구성됨
1950년대 말 프레드릭 키일(Fredrik Kiil)이 셀룰로스(cellulose) 막인 큐프로판(cuprophane)을 이용해 개선
장점
코일형 투석기보다 경제적
혈액펌프가 필요 없는 경우가 많음
투석기 내의 혈액량과 저항이 적음
단점
막통과압(TMP) 증가 시 보유 혈액량도 증가
효율성이 중공사형에 비해 떨어짐
3. 코일형 투석기(Coil Dialyzer)
코일형 투석기는 1954년 콜프에 의해 개발된 1회용 투석기입니다.
구조
두 줄의 투석막을 사용하여 '쌍둥이 코일형 투석기'로 명명됨
투석막을 코일 형태로 감아 사용
장점
1회용으로 사용 가능
100L의 투석액을 담을 수 있는 대용량 설계 가능
단점
현대적인 투석기에 비해 효율성이 떨어짐
크기가 커서 휴대성이 떨어짐
투석막의 종류와 특성
투석막은 혈액투석의 핵심 요소로, 다양한 기준에 따라 분류됩니다.
재질에 따른 분류
1. 셀룰로스 투석막(Cellulosic Membrane)
특징
복합 탄수화물의 중합체로 식물의 구조 물질
큐프로판(Cuprophan)이 대표적인 예
장점
막두께가 얇아(10μm) 확산에 의한 저분자량 용질 제거에 효과적
비교적 저렴한 비용
단점
생체적합성이 떨어짐(막 표면의 수산기가 보체계를 활성화시켜 백혈구 감소증이나 저산소증 유발)
친수성이 있어 대류에 의한 용질 제거에는 비효율적
2. 합성막(Synthetic Membrane)
종류
폴리설폰(Polysulfone, PS)
폴리아크릴로 나이트릴(Polyacrylonitrile, PAN)
폴리메탄 메사크릴레이트(Polymethylmethacrylate, PMMA)
장점
생체적합성이 높음(막표면의 수산기 제거로 개선)
확산과 대류에 의한 용질 제거율 향상
β2-마이크로글로불린과 같은 중분자 크기 물질 제거에 효율적
단점
비용이 비쌈
높은 수분투과력으로 초여과 조절장치 필요
막표면에 단백물질의 흡착 문제 가능성
고 투과력으로 인한 투석액에서 혈액으로의 역여과 위험
한외여과계수에 따른 분류
투석막은 한외여과계수(ultrafiltration coefficient, Kuf)에 따라 다음과 같이 분류됩니다:
1. 저유량 투석막(Low-Flux Membrane)
특징
한외여과계수가 10 mL/hr/mmHg 이하
확산이 주요 기전
구멍의 크기가 넓게 분포하지만 최대 구멍 크기가 상대적으로 작음
장점
작은 분자 노폐물 제거에 효과적
투석 불균형 증후군 등의 부작용이 적어 처음 투석을 시작하는 환자에게 적합
알부민과 같은 필수 단백질 손실 최소화
단점
중분자 노폐물 제거 효율이 낮음
β2-마이크로글로불린과 같은 중분자 요독 물질 제거에 한계
2. 중유량 투석막(Mid-Flux Membrane)
특징
한외여과계수가 10-20 mL/hr/mmHg
3. 고유량 투석막(High-Flux Membrane)
특징:
한외여과계수가 20 mL/hr/mmHg 이상
저유량에 비해 구멍의 크기가 좁게 분포하고 최대 구멍 크기가 상대적으로 큼
장점
11.8 kD인 β2-마이크로글로불린과 같은 중분자 요독 물질 제거가 우수
촘촘하게 분포한 구멍 구조로 노폐물 제거 효율이 높음
단점
알부민과 같은 유용한 단백질도 소실될 가능성
구멍이 커서 수분 제거량이 크기 때문에 투석 중 혈압 저하 가능성
비용이 상대적으로 높음
특수 투석막 유형
1. 확장혈액투석막(Medium Cut-Off Membrane, MCO)
특징
테라노바(Theranova)가 대표적 제품
투석막 중 가장 촘촘하게 구멍의 크기가 분포하고 고유량에 비해 막 구멍이 더 큼
최대 구멍크기는 알부민보다 작게 설계되어 알부민 여과율을 낮춤
장점
중간분자 노폐물 제거 효율이 우수하면서 알부민 손실 최소화
건강 관련 삶의 질 개선
하지불안증 등 증상 개선
조혈제 반응 개선
일반 혈액투석보다 효과적이며 혈액여과투석(HDF)과 유사한 효과
단점
비용이 가장 비싼 편
초기 사용 시 불편함을 호소하는 경우 발생
2. High Cut-Off Membrane (HCO)
특징
테라노바(MCO)보다 구멍의 크기가 넓게 분포
알부민 크기 이상까지 걸러질 수 있는 구조
장점
큰 중분자 요독물질 제거에 매우 효과적
단점
알부민과 같은 필수 단백질 손실이 많아 일반 혈액투석에는 적합하지 않음
혈액투석의 원리와 관련 용어
기본 원리
혈액투석은 주로 두 가지 메커니즘을 통해 이루어집니다:
1. 확산(Diffusion)
확산은 높은 농도의 물질이 낮은 농도로 이동하는 현상입니다. 혈액 내 노폐물의 농도가 투석액보다 높기 때문에, 노폐물은 투석막을 통해 투석액으로 이동합니다. 이것이 혈액투석의 가장 기본적인 원리입니다.
2. 대류(Convection)
대류는 초여과(ultrafiltration)가 일어날 때 분자들이 물에 휩쓸려 제거되는 용매 유입(solvent drag) 현상으로, 분자 크기에 따라 결정됩니다. 수분과 함께 노폐물이 이동하는 메커니즘입니다.
투석막 성능 관련 용어
추출비
노폐물인 요소의 농도가 얼마나 제거되는가에 대한 개념입니다. 투석막에서 혈류가 천천히 오래 머물수록 노폐물 제거 효율이 높아집니다.
청소율(Clearance, Ko)
특정 시간 동안 노폐물이 얼마나 제거되는지를 측정하는 지표입니다. 혈액의 속도를 고려하여 노폐물을 적당히 거르면서도 충분한 양의 혈액을 처리할 수 있는 효율성을 의미합니다.
질량 이동면적 계수(KoA, Mass Transfer Area Coefficient)
투석막의 효율을 나타내는 중요한 지표로, Ko 상수에 실제 투석기 막의 유효표면적 A를 곱한 값입니다. 이 값에 따라 투석막은 다음과 같이 분류됩니다.
저효율: KoA < 500 ml/min
고효율: KoA > 600 ml/min
현대의 대부분 투석막은 고효율 투석막입니다.
혈액투석 방식의 발전
전통적 혈액투석(Hemodialysis, HD)
기본적인 확산 원리를 이용한 방식으로, 저유량 또는 고유량 투석막을 사용합니다.
혈액여과투석(Hemodiafiltration, HDF)
혈액투석과 혈액여과를 결합한 방식으로, 대류 기법을 추가해 중분자 크기의 노폐물도 효과적으로 제거합니다. 온라인 혈액여과투석(Online HDF)은 매 회당 약 40리터의 수분을 체내에 보충하면서 치료를 진행합니다.
장점
β2-마이크로글로불린과 같은 중분자 노폐물 제거 향상
투석 중 저혈압 발생 감소
생존율 향상 가능성(convection volume이 22-23L 이상인 high-volume HDF의 경우)
단점
높은 혈류속도가 필요하여 투석혈관 상태가 좋지 않은 환자에게는 적용 어려움
정수액 사용량이 많음
기술적으로 복잡하고 비용이 높음
확장혈액투석(Expanded Hemodialysis, HDx)
테라노바(Theranova)와 같은 medium cut-off 투석막을 사용하여 일반 혈액투석 기계로 HDF와 유사한 효과를 얻는 방식입니다.
장점
일반 혈액투석 기계를 그대로 사용 가능
특별한 혈관 접근성 없이도 시행 가능
알부민 손실을 최소화하면서 중분자 요독물질 제거 효과적
건강 관련 삶의 질 및 증상 개선
단점
투석막 비용이 고가
혈액투석막 선택 시 고려사항
최적의 투석막 선택은 다음 요소들을 종합적으로 고려해야 합니다
환자의 건강 상태: 투석 연수, 영양 상태, 투석 합병증
투석 효율: 고효율 투석막을 기본으로 사용
투과성: 환자의 체구, 식이량, 투석 기간에 따라 고유량 또는 저유량 선택
혈역학적 안정성: 투석 중 혈압 저하가 있는 경우 특수 투석막 고려
생체적합성: 염증 반응 최소화를 위한 합성막 선택
비용 효율성: 환자의 경제적 상황과 보험 보장 범위 고려
결론
혈액투석기와 투석막 기술은 지난 수십 년간 크게 발전했으며, 이를 통해 말기 신부전 환자들의 생존율과 삶의 질이 크게 향상되었습니다. 중공사형 투석기와 합성 고유량 투석막의 도입, 그리고 혈액여과투석과 확장혈액투석과 같은 혁신적인 치료법의 개발은 이러한 발전의 중요한 이정표입니다.
그러나 환자 개개인마다 최적의 투석 방법과 투석막은 다를 수 있으므로, 개인의 상태와 필요에 맞는 맞춤형 접근이 중요합니다. 투석 의료진은 이러한 다양한 옵션들을 이해하고 환자에게 가장 적합한 치료법을 선택할 수 있어야 합니다.
혈액투석 기술의 지속적인 발전과 연구는 앞으로도 신대체요법의 효율성을 높이고 환자의 생존율과 삶의 질을 개선하는 데 기여할 것입니다.