공동 연구팀 왼쪽부터 동탄성심병원 김재호 교수, KIST 바이오닉스연구센터 김형민 박사,경희대학교 김선광 교수. 

뇌는 끊임없이 활동하는 기관이기 때문에 많은 양의 대사성 노폐물이 쌓인다. 뇌척수액은 이러한 노폐물을 주변 혈관을 따라 순환하면서 제거한다. 그런데 뇌척수액 순환에 장애가 생겨 노폐물 제거가 이뤄지지 않으면 알츠하이머병, 파킨슨병, 소혈관질환, 정상압 수두증과 같은 퇴행성 뇌질환의 원인이 된다. 

이러한 뇌척수액 순환 장애를 개선하기 위한 치료법인 집속초음파의 효과를 처음으로 증명한 연구결과가 발표돼 퇴행성 뇌질환을 치료할 수 있는 가능성이 열렸다. 집속초음파는 뇌의 안쪽 깊숙한 곳까지 초음파 에너지를 집중시켜 치료하는 최신 치료법이다.

한림대학교동탄성심병원 신경과 김재호 교수, 한국과학기술연구원(KIST) 바이오닉스연구센터 김형민 박사, 경희대학교 한의학과 김선광 교수 공동연구팀은 ‘경두개 집속초음파를 통한 뇌척수액 순환 향상: 실시간 생체 내 이광자 및 광시야 이미징 입증(Transcranial focused ultrasound stimulation enhances cerebrospinal fluid movement: Real-time in vivo two-photon and widefield imaging evidence)’ 연구를 통해 이같은 내용을 확인했다.

연구팀은 생쥐모델에서 집속초음파 그룹과 대조군을 나눠 비교했고, 형광염료를 통해 뇌척수액의 흐름을 확인했다. 이전까지는 기술적 한계로 인해 집속초음파 치료 시 뇌척수액의 실시간 흐름을 관찰하지 못했다. 그러나 이번 연구에서는 뇌척수액의 방향 역학을 기반으로 집속초음파의 조사 위치를 두개골이 아닌 두개골 바닥으로 변경해 이를 극복했다.

또 기존에는 뇌 내 형광 이미지 분석에 어려움이 있었지만 이광자 현미경을 통한 생체 내 형광 이미징 결합으로 집속초음파의 효과를 측정할 수 있었다. 이광자 현미경은 매우 낮은 에너지를 띈 2개의 광자를 이용하는 현미경으로 생체 시료에 주는 부담이 적기 때문에 오랜 시간 안정적으로 관찰이 가능하다.

분석결과 집속초음파를 적용한 그룹에서 뇌척수액의 유입 면적과 형광 염료의 강도가 현저하게 증가해 더 많은 양의 뇌척수액이 유입된 것으로 나타났다. 특히 이광자 이미징에서 집속초음파 자극 후 뇌혈관 주위 공간에서 뇌척수액의 흐름을 나타내는 형광물질이 증가한 것이 뚜렷하게 나타났다.

뇌척수액의 뇌 내 노폐물 제거 기능을 확인할 수 있는 미세입자 추적 실험에서도 집속초음파가 적용된 후 더 많은 미세입자가 관찰됐다. 입자들의 평균 속도 역시 집속초음파 적용 후 증가한 것으로 나타났다.

또 집속초음파에 따른 뇌 조직의 손상을 검사한 결과 어느 부위에서도 세포 손상이 발생하지 않았고 뇌혈관장벽 누출도 일어나지 않아 치료의 안정성을 확인했다.

김재호 교수는 “이번 연구는 두개골을 통한 집속초음파 자극이 뇌척수액의 순환을 촉진한다는 것을 실시간 이미징 기법을 통해 최초로 입증한 중요한 성과”라며, “뇌척수액 순환을 개선할 수 있는 비침습적 치료법으로서 집속초음파의 가능성을 확인했으며 퇴행성 뇌질환의 치료에 획기적인 돌파구가 될 것으로 기대된다”고 평가했다.

또한 그는 “최근 임상에서 집속초음파의 활용영역이 확대되고 있으며, 한림대학교동탄성심병원은 현재 집속초음파 기술을 통한 정상압 수두증 환자의 보행 개선 임상연구를 진행하고 있다”고 덧붙였다.

이번 연구는 한국연구재단 우수신진 연구사업, 한의디지털융합기술개발사업, KIST 기관고유사업 의 지원을 받아 이뤄졌으며, SCIE급 국제학술지인 ‘Brain Stimulation’ 9월호에 게재됐다.