기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 뇌과학 이미징 연구단 김성기 단장(성균관대 글로벌바이오 메디컬공학과 석좌교수) 연구팀은 일시적인 저산소 상태를 유도해 조직과 장기에 공급되는 혈액의 흐름, 즉 혈류(관류)를 측정하는 새로운 방법을 개발했다.

뇌 혈류는 항상성을 유지하기 위해 뇌의 노폐물을 제거하고 산소 및 영양분을 전달할 뿐만 아니라 다양한 뇌질환의 바이오마커 역할을 한다. 기존 자기공명영상(MRI), 양전자방출 단층촬영(PET), 컴퓨터단층촬영(CT)과 같은 혈류 측정 방법은 방사성 화합물, 조영제 등 외인성 추적자가 필요하다. 하지만 방사선 노출이나 조영제 허용치 등의 한계로 인해 반복적인 촬영이 어려웠다.

이번 연구에서는 체내 존재하는 디옥시헤모글로빈(deoxyhemoglobin; dHb)¹⁾에 주목했다. MRI 기법으로 혈류를 측정할 때 혈류지표인 뇌혈류용적(CBV)과 뇌혈류량(CBF)을 주로 사용하며, 이는 저산소 환경에서 측정이 쉽다는 특징이 있다. 산소가 부족해지면 산소와 결합하지 않는 dHb의 농도가 일시적으로 높아지는데, dHb는 자성을 띠어 혈류 측정에 이용되는 MRI 신호 변화량을 증가시키기 때문이다.

이에 연구진은 흡입마취 상태인 쥐 모델에 질소가스를 5초 동안 노출해 저산소 상태를 유도하고, 발생한 MRI 신호 변화를 통해 CBV와 CBF를 측정했다. 이 방법은 MRI 신호 검출 민감도를 높여 더욱 정확한 혈류 측정을 가능케 했다. 또한, 일시적인 저산소 상태는 수 초간 숨을 참는 것이나 다름없어 실험 쥐에 미치는 생리학적 영향이 미미했다.

연구진이 개발한 시스템은 흡입마취제뿐만 아니라 주사용 마취제를 투여한 쥐 모델에서도 질소가스를 성공적으로 전달하고 뇌 혈류를 정량적으로 측정했다. 이는 기존방법에 비해 비침습적이고, 신호 감도가 높아 작은 MRI 신호 변화도 민감하게 측정 가능하다는 의미다.

새로운 혈류 측정 시스템은 단기간에 반복측정이 가능해 시간을 단축하고 비용을 절감할 수 있다. 또한, 뇌 조직뿐만 아니라 온몸에 걸쳐 발생하는 허혈성 질환, 암 질환 등에 적용이 가능하다. 치료약물 투여 전후의 변화도 측정할 수 있어, 전임상·임상 약효 유효성 평가에도 활용 가능하다는 장점이 있다.

김성기 단장은 “혈류지표의 측정은 치매, 뇌종양 등 다양한 뇌질환의 조기진단 및 진행 경과, 치료 효과의 모니터링에 중요하다”며, “향후 사람에게도 적용 가능한 혈류 측정 방법의 개발이 기대된다”라고 말했다.

연구결과는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 온라인판에 2월 28일(한국시간) 실렸다.

그림 설명

[그림1] 혈류 측정 시스템 구성도 및 질소-마취 가스공급 패러다임에 의한 MRI 신호 변화.
(A) 휘발성 마취제가 공급된 쥐를 위해 특별히 설계된 가스공급 시스템이다. 가스공급은 마취제가 포함된 의료용 가스와 저산소 가스 사이를 전환하는 TTL(Transistor-Transistor Logic) 신호를 사용해 MRI와 동기화된다. 가스는 쥐의 코에 맞는 입구 2개와 음압 출구 1개가 있는 노즈콘을 통해 전달된다. (B) 가스 자극을 위한 블록 설계이며, (C) 가스 자극에 의한 MRI 신호 변화를 나타내는 그림이다.

[그림 2] 덱스메데토미딘+아이소플루레인(0.3%), 아이소플루레인(1%, 1.5%, 2%) 등 4가지 마취 조건에서 뇌 혈류지표를 측정·계산해 쥐 MRI 뇌 영상에 맵핑한 영상과 수치 결과(그래프)

1)헤모글로빈(hemoglobin)은 적혈구에서 철을 포함하는 붉은 색 단백질로, 혈류를 통해 산소를 운반하는 역할을 한다. 헤모글로빈에 산소가 결합하면 옥시헤모글로빈(oxyhemoglobin)이며, 산소와 결합하지 않는 헤모글로빈은 디옥시헤모글로빈(deoxyhemoglobin)이다.