광생체조절과 산화질소 — 시토크롬 c 산화효소의 새로운 기능

광생체조절, photobiomodulation은 가시광선 적색광에서 근적외선 영역의 빛을 LED나 저출력 레이저로 조사하여 세포 성장과 손상 회복을 촉진하는 치료 방식이다. 저출력 레이저 치료, LLLT와 같은 개념으로 쓰인다. 같은 '빛 치료'라도 암세포를 죽이는 광역동 치료나 자외선을 쓰는 UVA 치료와는 원리가 다르다. 광역동 치료가 외부에서 주입한 광감작제를 활성화시키는 방식이라면, 광생체조절은 체내에 원래 존재하는 효소 광수용체에 직접 작용해 세포 신호전달 경로를 바꾸고 세포 대사와 증식에 영향을 준다. 치료에 유효한 파장은 대략 590~850nm의 적색광~근적외선 구간으로, 이 영역의 빛은 조직 침투가 비교적 잘 되면서도 자외선이 가진 발암성·돌연변이 유발성이 없다.

주요 작용 원리

빛을 흡수하는 1차 광수용체는 미토콘드리아 전자전달계의 최종 효소인 시토크롬 c 산화효소, Cytochrome c oxidase(Cco)로 알려져 있다. 근거로는 미토콘드리아가 흡수하는 빛의 대부분을 이 효소가 흡수한다는 점, 세포 증식과 부착에 대한 근적외선의 작용 스펙트럼이 이 효소의 흡수 스펙트럼과 일치한다는 점, 그리고 이 효소를 차단하는 시안화물의 독성을 근적외선이 되돌린다는 신경세포 실험 결과 등이 제시된다.

이 논문의 핵심은 이 효소가 지금까지 알려진 것과 다른 두 번째 기능을 가진다는 점이다.

• Cco/H₂O 반응: 기존에 알려진 기능으로, 산소를 물로 환원시키며 미토콘드리아 호흡과 ATP 생성을 담당한다. 이 과정에서 활성산소종, ROS가 부산물로 생성된다.
• Cco/NO 반응: 최근 밝혀진 두 번째 효소 활성으로, 아질산염(nitrite)을 환원시켜 산화질소, NO를 생성한다. 즉 산화질소 합성효소(NOS)와 무관한 별도의 산화질소 공급원이 존재한다는 의미다.

논문은 이 효소가 조직의 산소 농도에 따라 두 반응 사이를 오가는 '분자 스위치'처럼 작동한다고 설명한다. Cco/NO 활성은 저산소 상태에서 특히 강해지는데, 산소 조절 아형에 따라서는 정상 산소 농도 범위에서도 작동하는 것으로 확인됐다. 질병이나 손상 부위가 대개 저산소 상태라는 점에서 임상적으로 의미 있는 지점이다.

기존 설명과 무엇이 다른가

종래의 설명은 산화질소가 시토크롬 c 산화효소에 결합해 산소와 경쟁하며 호흡을 억제하는데, 빛이 이 결합된 산화질소를 떼어내면(광해리) 산소가 다시 결합해 호흡이 회복된다는 것이었다. 이 설명은 정상 산소 상태를 전제로 하며, 산화질소는 기존에 저장돼 있던 것이 방출되는 것으로 본다.

논문이 인용하는 저자 연구실의 실험 결과는 여기에 새로운 관점을 더한다. 4mW/cm²의 저강도 광대역 광을 조사했을 때 Cco/NO 반응만 자극되고 Cco/H₂O 반응은 영향을 받지 않았으며, 자극 효과는 590±14nm 파장에서 최대였다. 이는 저산소와 정상 산소 조건 모두에서 관찰됐다. 두 반응 중 하나만 선택적으로 자극됐다는 것은 전자전달 속도가 전반적으로 빨라진 결과가 아니라, 빛이 헴 a₃와 산화질소의 결합체를 분리시켜 아질산염이 다시 결합할 여지를 만들고 그 결과 산화질소 합성 자체가 촉진됨을 시사한다.

즉 빛은 기존에 저장된 산화질소를 방출만 하는 것이 아니라 새로운 산화질소를 합성하게 한다는 것이 이 논문의 제안이다. 특히 저산소 상태에서는 환원형 시토크롬이 늘어나 Cco/NO 반응이 유리해지므로, 기존의 광해리 모델로 설명되지 않던 질환 상태에서의 효과를 설명할 수 있는 대안이 된다.

산화질소가 하는 일

Cco/NO 반응으로 만들어진 산화질소는 일부는 세포 안에 남고 일부는 세포 밖으로 방출된다. 세포 내에서는 저산소 신호전달에 관여하고, 세포 밖에서는 혈관 확장을 비롯한 여러 신호전달 경로에 작용한다. 이와 별개로 정상 산소 상태에서는 Cco/H₂O 반응을 통한 경로도 함께 작동할 수 있다. 빛이 효소의 산화 상태와 반응 중심의 구조를 변화시켜 ROS 방출을 유도하고 이것이 세포 신호전달로 이어지는 경로, 그리고 전자전달 속도가 빨라져 ATP 생성이 증가하고 오히려 복합체 I·III에서의 ROS 생성은 줄어드는 경로가 함께 제시된다.

적용 사례

• 상처 치유 및 망막 손상 회복 촉진
• 심근세포를 저산소·재산소화 손상으로부터 보호하여 허혈 후 회복률 개선
• 근육 재생 촉진, 신경세포에 대한 시안화물·아자이드의 신경독성 차단
• 파킨슨병 세포 모델에서 축삭 수송 회복, 미토콘드리아 기능 이상에 의한 시신경병증에 대한 신경보호
• 섬유아세포와 혈관내피세포의 증식 촉진, 산화 스트레스 완화

핵심 결론

광생체조절의 빛은 미토콘드리아 시토크롬 c 산화효소에 흡수되며, 이 효소는 산소를 물로 환원시키는 기존 기능 외에 아질산염을 산화질소로 환원시키는 두 번째 기능을 함께 가진다. 저강도 광은 이 두 번째 반응을 선택적으로 자극해 새로운 산화질소 합성을 늘리고, 이렇게 만들어진 산화질소가 세포 내외의 신호전달을 통해 치료 효과로 이어진다는 것이 논문의 제안이다. 따라서 광생체조절의 효과는 조직의 산소 농도와 아질산염 농도에 의해 좌우될 수 있으며, 총 조사 에너지에도 최적값이 존재해 그보다 많은 용량은 효과가 줄거나 오히려 부정적으로 작용할 수 있다.

이 논문은 하나의 임상시험 결과를 제시한 연구가 아니라, 기존 연구들과 저자 연구실의 발견을 종합해 광생체조절의 분자 수준 작용기전에 대한 새로운 가설을 제시한 종설 논문이다. 미국 콜로라도대학교 볼더캠퍼스 분자·세포·발생생물학과의 로버트 포이턴 교수 연구팀이 작성했으며, 2011년 학술지 Discovery Medicine에 게재됐다.