광생체조절과 신경퇴행성 질환

광생체조절, photobiomodulation(PBM)은 레이저나 LED에서 나오는 적색광~근적외선 영역의 빛을 조사하여 세포 기능을 조절하는 치료 방식이다. 저출력 레이저 치료, LLLT와 같은 개념으로 쓰인다. 조사되는 에너지가 낮아 조직을 태우거나 제거하지 않으며, 광화학적 반응을 통해 작용한다. 세포 내 발색단이 빛을 가장 잘 흡수하는 650~1,200nm 범위가 주로 사용된다.

이 논문은 그 적용 대상을 알츠하이머병, 파킨슨병, 외상성 뇌손상, 뇌졸중, 뇌전증 등 신경퇴행성 질환으로 좁혀, 광생체조절이 신경세포 손상에 개입하는 기전과 각 질환별 연구 결과를 정리한 종설이다. 현재 이들 질환에 쓰이는 약물이 대체로 증상 완화에 그치고 부작용 문제가 있다는 점이 논문이 비약물적 대안을 검토하는 배경이다.

주요 작용 원리

빛을 흡수하는 1차 발색단은 미토콘드리아 전자전달계 복합체 IV, 즉 시토크롬 c 산화효소, Cytochrome c oxidase(CCO)로 알려져 있다. 이 효소는 헴과 구리 중심을 함께 가지고 있어 근적외선을 흡수할 수 있으며, 600~900nm 파장대에 반응한다.

• 산화질소 분리와 ATP 증가: 산화질소는 시토크롬 c 산화효소에 결합해 호흡을 억제하는데, 빛이 이 결합을 분리시키면 전자전달과 미토콘드리아 막전위가 회복되고 ATP 생성이 늘어난다. 분리된 산화질소는 세포 밖으로 확산되어 국소 혈관을 확장시키고 혈류를 증가시킨다.
• 신호전달 경로 활성화: 늘어난 ATP는 cAMP로 전환되어 PKA와 RAS를 거쳐 SIRT1·ERK 경로로 이어지고, 늘어난 활성산소는 PI3K/Akt 경로를 활성화한다. 그 결과 세포 생존과 증식, 분화가 촉진되고 염증과 세포자멸사는 억제된다. 논문은 ERK, Akt/GSK3β/β-catenin, Src/Syk/PI3K/Akt, cAMP/PKA/SIRT1의 네 경로를 주요 축으로 제시한다.
• 산화 스트레스 감소: 신경퇴행성 질환에서 과도하게 증가한 활성산소에 대해, 광생체조절은 유도형 산화질소 합성효소(iNOS)를 억제하고 항산화 방어를 활성화하는 방향으로 작용한다. 활성산소를 오히려 늘려 암세포를 죽이는 광역동 치료와는 정반대의 방향이다.
• 이온 채널: 빛과 열에 반응하는 TRP 계열 이온 채널도 작용점으로 주목받고 있다. 2,780nm 적외선이 TRPV1 활성을 억제해 통증 자극을 줄였고, 1,875nm 펄스광은 TRPV4를 활성화한 것으로 보고됐다.

빛의 성질에 따른 차이

파장이 짧을수록 에너지가 높다. 청색광은 에너지가 높지만 침투 깊이가 얕아 표층 피부질환에 제한적으로 쓰이며, 보라~청색 계열은 망막에 유해할 수 있다. 반면 적색광은 에너지가 낮아 같은 광자 수를 전달하려면 더 많은 에너지가 필요하지만 조직 침투력이 크다. 빛은 조직과 만나 반사·굴절·흡수·산란을 일으키며, 조직마다 구조가 달라 흡수율도 달라진다.

편광도 변수다. 척수손상 랫드 모델에서 800nm 레이저 조사 시 빛의 진행 방향과 평행한 편광이 수직 편광보다 효과가 유의하게 좋았고, LED 상처 치유 연구에서도 선형·원형 편광이 비편광보다 나은 결과를 보였다. 논문은 이 외에도 에너지밀도, 조사강도, 조사 시간, 펄스 조건, 조사 면적, 출력, 조사 횟수, 치료 간격, 조사 부위 등 약 10가지 변수가 결과를 좌우한다고 정리한다.

질환별 연구 결과

알츠하이머병은 타우 과인산화와 베타아밀로이드 축적이 특징이다. 모델 쥐에 808nm 레이저를 6개월간 주 3회 조사한 연구에서 아밀로이드 플라크가 유의하게 감소했고 효과는 용량 의존적이었다. 1,072nm 적외선을 하루 6분씩 조사한 연구에서는 중년 쥐의 작업기억 결손이 회복됐다. 627nm LED를 21일간 하루 100초씩(7 J/cm²) 조사한 랫드 연구에서는 플라크 감소와 함께 공간학습·기억 능력이 개선됐다. 세포 수준에서는 ERK/CREB 경로를 통한 BDNF 증가, GSK3β 억제를 통한 세포사멸 차단, AMP/PKA/SIRT1 경로를 통한 비아밀로이드 생성 경로로의 전환이 보고됐다.

파킨슨병은 흑질치밀부의 도파민 신경세포 소실이 원인으로, 운동 증상이 나타날 무렵에는 이미 60~80%가 소실된 상태다. 원숭이 모델에서 670nm 조사가 티로신 수산화효소 발현 신경세포를 회복시키고 GDNF 발현을 늘렸으며, 중뇌 인접부에 이식하는 발광 장치를 이용한 두개내 조사는 쥐·랫드·원숭이 모델에서 도파민 신경세포 사멸을 막았다. 주목할 점은 쥐의 등 부위에 670nm 광을 조사하고 머리는 알루미늄 포일로 가린 조건에서도 흑질 도파민 신경세포 소실이 줄었다는 결과로, 빛을 직접 뇌에 쬐지 않아도 전신 반응을 통해 뇌를 보호하는 '원격 광생체조절'의 근거로 제시된다.

외상성 뇌손상에서는 만성·경증 환자에게 LED(500mW, 22.2mW/cm²)를 하루 10분씩 6주간 18회 두부에 조사한 임상 연구에서 인지 기능 저하가 유의하게 개선됐다. 뇌졸중에서는 경두개 조사의 유의한 효과와 실어증 동반 증례의 개선이 보고됐다. 뇌전증에서는 흥분성 아미노산에 노출된 신경세포 배양에 25mW/cm²·3 J/cm²를 2분간 조사하자 ATP, 미토콘드리아 막전위, 칼슘 농도, 산화 스트레스, 산화질소 수준이 모두 유의하게 개선됐다.

한편 전측두엽 변성, 근위축성 측삭경화증(ALS), 헌팅턴병에 대해서는 아직 연구가 거의 없어 앞으로 규명이 필요한 영역으로 남아 있다.

임상 연구와 나노기술 결합

주관적 인지 저하를 호소하는 58명을 대상으로 한 연구에서 6일간의 광치료 후 수면의 질과 기억력이 유의하게 개선됐고, 경도인지장애 환자에게 1,072nm 근적외선을 28일간 전두피질에 조사한 이중맹검 위약대조 시험에서는 통계적 유의성에는 이르지 못했으나 실행 기능과 뇌파 진폭에서 개선이 관찰됐다. 치매 환자 8명을 대상으로 12주간 가정에서 근적외선을 조사한 연구에서는 인지 평가 척도가 유의하게 개선됐다. 논문은 향후 방향으로 근적외선에 반응하는 금 나노입자 등을 이용해 혈액뇌장벽을 통과시켜 특정 뇌 부위에 정밀하게 작용시키는 나노기술과의 결합도 제시한다.

핵심 결론

광생체조절의 빛은 미토콘드리아 시토크롬 c 산화효소에 흡수되어 산화질소를 분리시키고 ATP 생성을 늘리며, 이어지는 신호전달 경로를 통해 신경영양인자 분비 증가, 병적 단백질 제거, 세포자멸사와 염증 억제, 뇌혈류 개선으로 이어질 수 있다. 다만 사람과 동물의 뇌 해부학적 차이가 크기 때문에 동물실험 결과를 그대로 사람에게 적용해 해석하는 데는 주의가 필요하며, 파장·에너지·편광 등 광학 조건에 따라 결과가 크게 달라지므로 이들 변수를 함께 고려한 추가 연구가 필요하다.

이 논문은 하나의 임상시험 결과를 제시한 연구가 아니라, 기존 연구들을 종합해 광생체조절의 작용기전과 신경퇴행성 질환에서의 활용 가능성을 정리한 종설 논문이다. 대만 국립성공대학교 의과대학 임상의학연구소 연구팀 등이 참여했으며, 2023년 학술지 Biomedicines에 게재됐다.