한국연구재단(이사장 조무제)은 최윤경 박사(강원대) 연구팀이 적은 양의 일산화탄소가 외상 후 뇌손상을 치료하는데 효과가 있음을 확인하였다고 밝혔다.

외상 후 뇌손상(TBI)은 머리에 충격이 가해졌을 때 동시다발적인 뇌세포들의 기능이상 때문에 뇌 기능이 감소되거나 소실되는 뇌질환이다. 뇌손상이 진행되는 뇌에서는 주로 염증 반응이 촉진되고, 신경세포가  감소하며, 혈관 주위세포가 사멸하는 것이 확인된다.

외상 후 뇌손상은 운동선수나 건축 관련 업무를 하는 사람들이 일상적으로 겪는 질환이지만, 최근까지 완전한 치료제가 개발되지 못하였다. 단순히 활성산소를 제거하여 염증을 억제하는 치료제는 뇌 기능의 정상적인 회복에는 한계를 보였다.

일산화탄소는 흡입 시 신경 계통을 침범하는 무색·무취의 유해한 기체로 알려져 있다. 그러나 최근에는 적은 양의 일산화탄소를 이용하여 고혈압, 패혈증, 항암제, 염증 억제제 등으로 사용하고자 하는 연구가 진행 중이다. 그러나 외상 후 뇌손상을 치료하려는 하는 연구는 거의 이루어지지 않았다.

연구팀은 적은 양(실험 동물의 체중(kg)당 일산화탄소 분비 물질(CORM-3) 4mg 투여)의일산화탄소가 뇌손상 모델 쥐의 혈관주위 세포를 보호하고, 산화질소를 생성하여 신경줄기세포의 증식과 분화를 촉진한다는 것을 밝혔다.

일산화탄소와 활성산소 억제제(PBN)가 정맥에 투여된 외상 후 뇌손상 유사 모델 쥐의 뇌 표면에서는 혈관주위의 세포가 보호됐다. 그러나 식염수만 투여된 쥐의 뇌 표면에서는 혈관주위 세포가 사멸했다.

오직 일산화탄소가 투여된 쥐만이 인지능력과 운동능력이 개선되었다. 그러나 PBN을 투여한 쥐는 일산화탄소나 식염수를 투여한 쥐보다 위 능력이 개선되지 못하였다.

또한 일산화탄소 처리군의 뇌에서 신경줄기세포가 증식하고 분화하였다. 이는 혈관 주위 세포에서 분비되는 인자들이 신경줄기 세포에서 산화질소 생성효소를 활성화시켜 이와 같은 현상을 유도하는 것이다.

신경줄기세포는 신경세포, 성상세포, 희소돌기아교세포로 분화가 된다. 일산화탄소로 인해 혈관주위세포에서 분비되는 인자들은 특히 신경세포로의 분화를 촉진하였다. 

   

최윤경 박사는 “이번 연구를 기반으로 혈관주위세포의 사멸과 신경  세포의 손상을 유발하는 뇌질환에서 일산화탄소의 기능을 연구 한다면 새로운 치료법 개발이 가능할 것이다”라고 본 연구의 의의를 밝혔다. 

한국연구재단에서 지원하는 학문후속세대양성사업(교육부 소관사업)을 통해 거둔 이번 연구성과는 세계 3대 학술지 Nature의 자매지인 ‘네이처 메디슨(Nature Medicine) 9월 26일 온라인으로 게재되었다.

- 논문명 : Dual effects of carbon monoxide on pericytes and neurogenesis in traumatic brain injury

- 저자 정보 : 최윤경 (주저자 및 공동 교신저자, Harvard Medical School)

  

운동선수 및 건축 관련된 사람들이 겪는 대표적 질환으로 외상후 뇌손상을 꼽을 수 있다. 그동안, 외상후 뇌손상에 대한 다양한 치료제 접근에도 불구하고, 현재까지 치료제가 개발되지 못하였다. 단순히 활성산소를 억제하는 치료제의 한계를 통해, 사람들은 다양한 세포의 통합적 재생 기능을 지닌 치료제를 얻고자 하였다. 즉, 활성산소의 억제, 신경세포의 재생, 희소돌기아교세포의 신경세포 말이집형성, 시냅스 형성 등 다양한 재생기능을 지닌 치료제에 눈을 돌리게 되었다.

최근, 적은 농도의 일산화탄소를 이용하여 고혈압, 패혈증, 항암제 및 염증 억제제로 사용하고자 하는 연구가 진행되고는 있었으나, 외상후 뇌손상에 대한 연구는 거의 이루어지지 않았다. 이번 연구에서는 일산화탄소를 이용하여 외상후 뇌손상을 치료할 수 있을 것이라는 가설을 세웠다.

이러한 가정 하에, 13주 된 어른 쥐의 뇌 표면에 물리적 충격을 주어 외상후 뇌손상 유사 모델을 만든 후, 1시간 뒤에 적은 용량의 일산화탄소, 활성산소 억제제(PBN), 식염수 (대조군으로 사용)를 쥐의 정맥에 투여하였다. 식염수만 준 쥐에서는 혈관주위세포의 사멸이 매우 활발한 것을 확인하였으나, 일산화탄소 및 PBN을 준 쥐의 뇌 표면에서는 혈관주위세포가 보호되는 것을 알 수 있었다. 그럼에도 불구하고, PBN을 준 쥐는 인지능력 및 운동능력이 식염수를 준 쥐보다 개선되지 못하였고, 오로지 일산화탄소를 준 쥐에서만 인지능력과 운동능력이 개선됨을 관찰할 수 있었다. 

이러한 차이는 어디에서 오는 것일까? 이번 연구에서는 새롭게 형성되는 신경줄기세포의 증식 및 분화에서 그 해답을 얻을 수 있었다. 일산화탄소 처리군에서는 신경줄기세포의 증식, 이동 및 분화를 관찰할 수 있었고, 이는 혈관주위세포에서 분비되는 인자들에 의해서 이루어진다는 점을 밝혔다. 이에 비해, 활성산소 억제제인 PBN은 이러한 신경줄기세포의 증식 및 분화에 영향을 주지 못하였다.

일산화탄소를 처리한 혈관주위세포에서 유래하는 인자들은 신경줄기세포에서 산화질소 생성효소를 활성화하였고, 산화질소 생성효소의 억제제를 처리한 쥐에서는 일산화탄소의 치료효과가 매우 유의성있게 억제되었다. 즉, 일산화탄소는 또 다른 가스 물질인 산화질소의 생성을 통해 신경줄기세포의 증식 및 분화를 유도함을 밝혔다.

   

이번 연구는 외상후 뇌손상에서의 일산화탄소의 역할을 규명한 최초의 기전 연구이다. 이러한 기전의 핵심으로 혈관주위세포의 중요성을 밝힌 점에 의의가 있다. 일산화탄소를 줄 경우, 혈관주위세포에서 분비되는 인자들이 신경줄기세포의 증식 및 분화에 영향을 준다는 최초의 연구이다. 신경줄기세포는 신경세포, 성상세포 또는 희소돌기아교세포로 분화가 되는데, 일산화탄소를 준 혈관주위세포에서 나오는 인자들은 이 중 특히 신경세포로의 분화를 촉진하였다.

 

이를 바탕으로 해서 뇌손상 질환의 범위를 넓혀 뇌졸중, 알츠하이머, 뇌혈관 장애 질환에서의 일산화탄소의 치료제로의 가능성에 기여를 할 수 있을 것으로 본다. 사람들의 기대 수명이 높아지면서 점점 뇌질환이 증가하는 추세이며, 이에 따라 뇌질환 치료제 개발에 많은 연구가 이루어질 전망이며, 일산화탄소는 이러한 흐름에 매우 흥미로운 치료제로 부각될 가능성이 있다.

운동 선수들 및 높은 건물을 짓는 사람들에서 가장 많이 발생하는 질환 중 하나는 외상후 뇌손상이다. 일차적으로 발생하는 물리적 충격뿐만 아니라, 이차적으로 염증 반응 촉진, 혈관주위세포의 사멸, 신경세포의 감소, 시냅스의 변화 및 축소, 희소돌기아교세포의 변화 등이 관찰된다. 외상후 뇌손상을 치료하고자 하는 연구는 계속되어 왔으나, 치료제 개발에 어려움을 겪고 있었다. 즉, 단순히 활성산소를 제거하여 염증을 억제하고자 하는 치료제는 그 한계를 보였고, 다양한 세포의 기능이 유기적으로 회복되는데 초점을 맞추어 치료제를 개발하고자 하는 움직임이 있다.

 

어른 쥐의 뇌 표면에 물리적 충격을 주어 외상후 뇌손상 유사 모델을 만든다. 한 시간 뒤에 적은 용량의 일산화탄소, 활성산소 억제제 (PBN), 식염수 (대조군으로 사용)를 쥐의 정맥에 투여한다. 식염수만 준 쥐에서는 혈관주위세포의 사멸이 매우 활발한 것을 확인하였으나, 일산화탄소 및 PBN을 준 쥐의 뇌 표면에서는 혈관주위세포가 보호되는 것을 알 수 있었다. 그럼에도 불구하고, PBN을 준 쥐는 인지능력 및 운동능력이 식염수를 준 쥐보다 개선되지 못하였고, 오로지 일산화탄소를 준 쥐에서만 인지능력과 운동능력의 향상됨을 관찰할 수 있었다. 

  

이러한 차이는 어디에서 오는 것일까? 이번 연구에서는 새롭게 형성되는 신경줄기세포의 증식 및 분화가 혈관주위세포와의 상호작용을 통해 이루어지는 점에서 그 해답을 얻을 수 있었다. 일산화탄소 처리군에서는 신경줄기세포의 증식, 이동 및 분화를 관찰할 수 있었고, 이는 혈관주위세포에서 분비되는 인자들에 의해서 이루어진다는 점을 밝혔다. 이에 비해, 활성산소 억제제인 PBN은 이러한 신경줄기세포의 증식 및 분화에 영향을 주지 못하였다. 

일산화탄소를 처리한 혈관주위세포에서 유래하는 인자들은 신경줄기세포에서 산화질소 생성효소를 활성화하였고, 산화질소 생성효소의 억제제를 처리한 쥐에서는 일산화탄소의 치료효과가 매우 유의성 있게 억제되었다. 즉, 일산화탄소는 또 다른 가스 물질인 산화질소의 생성을 통해 신경줄기세포의 증식 및 분화를 유도함을 밝혔다.

 

이번 연구는 외상후 뇌손상에서의 일산화탄소의 역할을 규명한 최초의 기전 연구이다. 이를 바탕으로 해서 뇌손상 질환의 범위를 넓혀 뇌졸중, 알츠하이머, 뇌혈관 장애 질환에서의 일산화탄소의 치료제로의 가능성에 기여를 할 수 있을 것으로 본다. 사람들의 기대 수명이 높아지면서 점점 뇌질환이 증가하는 추세이며, 이에 따라 뇌질환 치료제 개발에 많은 연구가 이루어질 전망이며, 일산화탄소는 이러한 시대에 매우 흥미로운 치료제로 부각될 가능성이 있다.

본인은 일산화탄소의 기능을 뇌세포 중 하나인 성상세포에서 박사후 과정 동안 김영명 교수님(강원대학교)의 지도로 약 6년동안 연구하였다. 이후 뇌질환에서 일산화탄소의 기능을 연구하고 싶었고, 박사 지도 교수님(김규원 교수님, 서울대학교)이 하버드 의과대학에 계신 Eng H. Lo 교수님 연구실(NeuroProtection Research Lab)과의 글로벌연구실지원사업 (GRL) 과제를 통해 본인을 파견하였다. Dr. Lo 교수님과 외상후 뇌손상에서의 일산화탄소의 역할을 연구하기로 하였고, 이를 학문후속세대양성사업 중 ‘박사후 국외연수’과제로 신청하였다.

외상후 뇌손상 모델쥐에서 세포사멸을 관찰하면서 혈관주위세포가 가장 활발히 죽는 것을 확인하였다. 이는 일산화탄소 및 활성산소 억제제에 의해 감소하지만, 단순히 활성산소만을 억제할 경우에는 운동능력과 인지능력의 개선은 보이지 않았다. Dr. Lo 교수님과 의견을 나누면서 신경줄기세포의 재생에 초점을 맞추었고, 그 결과 혈관주위세포-신경줄기세포의 상호작용이 존재함을 알게 되었다. 세포 실험을 통해, 일산화탄소를 처리한 혈관주위세포에서는 신경줄기세포의 분화와 증식을 유도하는 인자들이 나올 수 있음을 알게 되었다. 이들 인자들은 신경줄기세포에 존재하는 산화질소 생성효소의 활성을 유도하고, 결과적으로 신경전달물질로 밝혀진 산화질소의 분비를 촉진하였다. 이를 통해 신경세포의 재생이 일어남을 확인하였다.

Dr. Lo 교수님과 실험에 대해 상의하면서 영감을 얻었고, 실험 방향을 제시해 주시면, 그동안의 나의 연구경험을 통해 이를 확인하는 방식으로 연구를 이끌어 나갔다. 다양한 경험을 지닌 세계 각국에서 온 연구원들이 있었고, 그들과의 대화를 통해서 얻었던 영감도 무척 도움이 되었다.

적은 농도의 일산화탄소를 고혈압, 염증 억제, 패혈증 치료제로 사용하고자 하는 움직임이 최근 활발하다. 그러나 외상후 뇌손상에서의 일산화탄소가 어떠한 기전으로 치료제가 될 수 있을지는 알려져 있지 않았다. 이번 연구에서는 일산화탄소가 초반에는 혈관주위세포를 보호할 뿐만 아니라, 장기적으로는 신경줄기세포의 분화 및 증식을 유도함을 밝혔다. 또한, 혈관주위세포-줄기세포의 상호작용을 통해 이러한 현상이 유도됨을 세포 실험을 통해 보였다. 그 결과, 뇌손상이 일어난 후에 일산화탄소를 처리하면, 인지능력과 운동능력이 개선되는 매우 흥미로운 결과를 얻을 수 있었다.

이번 연구는 신경세포의 재생에 초점을 맞추었다. 이후, 일산화탄소가 시냅스에 미치는 영향 및 희소돌기아교세포의 신경세포 말이집형성에 미치는 영향을 뇌질환에서 연구하고 싶다. 본인이 그동안 해왔던 혈관신생과의 연결성도 연구하고자 한다. 이들의 통합적 연구는 뇌손상 이후 찾아오는 기억 장애를 해결하는데 도움이 될 수 있을 것으로 보인다.

처음으로 미국에 혼자 있으면서 2년 동안 연구를 시작할 때, 본인은 처음 3개월 정도를 매일 약 30분씩 명상을 하였다. 약 60일 정도 지났을 무렵, 마음 깊은 곳에서 들려왔던 소리는 ‘Nature Medicine’이었다. 매우 의외의 마음의 소리라고 생각했지만, 3년 뒤 오늘.. 본인은 그 논문에 이 연구 결과를 게재하였다.

  ○ 세계 3대 저널인 네이처(Nature)의 자매지로 학술지표 평가기관인 Thomson JCR 기준 영향지수 (impact factor, 2015년 기준) 30.357의 전 과학 분야 및 생물학 논문 분야 최상위 학술지 중 하나

  ○ 과거에는 과량의 일산화탄소에 중독된 사례가 많아, 그 독성에 관한 연구가 지배적이었다. 약 20년 전부터 적은 농도의 일산화탄소가 세포를 보호하는 기능이 있다고 알려진 이후, 많은 질환(예, 고혈압, 패혈증, 염증 질환, 뇌졸중)의 치료제로 임상단계 혹은 임상 전단계에서 테스트 중이다.

  ○ 혈관세포를 감싸는 모양으로 관찰되고 있는 이 혈관주위세포의 기능이 그동안 잘 알려져 있지 않았다. 2008년 혈관세포에서 뇌혈액관문을 형성할 때 혈관주위세포가 핵심적 작용을 한다고 알려진 이후, 뇌질환 및 정상 뇌기능에 미치는 혈관주위세포의 기능 연구가 활발하다.

  ○ 태아의 발달 단계에서 신경줄기세포는 다양한 인자들과 반응하여 성상세포, 희소돌기아교세포, 신경세포로 운명이 결정되면서 분화한다. 반면, 어른에서도 신경줄기세포가 뇌에서 일부 발견되는데 뇌질환이 발생하면, 그 수가 늘어나는 것으로 관찰된다. 

  ○ 물리적 힘에 의해 일차적으로는 뇌 표면이 손상되는 질환이다. 이차적으로, 각종 염증반응 및 세포 사멸이 관찰되고, 인지능력과 운동능력의 저하가 유도되는 질환이다. 

  ○ 뇌손상 이후 퇴화된 신경세포 및 뇌 구성 세포들이 새롭게 만들어지는 과정이다. 혈관은 혈관모세포들이 이동하면서 손상된 부위에서 만들어지고, 신경세포는 신경줄기세포들이 증식, 이동, 분화하면서 새롭게 형성된다. 희소돌기아교세포도 새롭게 형성되거나 기존의 전단계 세포에서 분화하는데 분화한 이들 세포가 미엘린 수초로 신경세포를 감싸면서 전도 속도를 향상시킨다. 재생된 성상세포도 신경세포가 만나는 부위에서 Ca++을 통한 신호전달 물질의 이동을 조절한다.

충격이 가해진 뇌 표면 (A), 기억을 담당하는 뇌의 안쪽 해마 (B), 모두에서 혈관주위세포의 사멸이 관찰된다. 이때, 일산화탄소를 충격이 가해지고 한 시간 뒤에 처리했을 경우, 두 부위 모두에서 혈관주위세포의 세포사멸이 억제된다.

외상후 뇌손상에 의해 혈관투과성이 증가하고 일산화탄소와 활성산소 억제제(PBN)가 이러한 혈관투과성을 유의성 있게 저해하였다 (A-B). 일산화탄소 처리한 혈관주위세포에서 배지를 얻어 신경줄기세포에 처리하면, 신경줄기세포가 신경세포로 분화하지만, PBN을 처리한 혈관주위세포에서 얻은 배지를 신경줄기세포에 처리한 경우에는 이러한 효과를 보이지 않았다.

일산화탄소를 처리한 후, 신경줄기세포의 분화가 일어나는 쥐의 뇌에서 혈관주위세포는 신경줄기세포와 위치적으로 매우 가깝다 (A). 일산화탄소를 뇌손상 후 준 경우 신경줄기세포의 증식, 이동을 볼 수 있다 (B). 따라서, 이번 연구는 일산화탄소가 뇌손상 이후의 혈관주위세포의 사멸을 억제하여 뇌혈액관문(blood-brain barrier, BBB)을 보호하는 초기작용과, 신경줄기세포(neural stem cells, NSC)의 증식과 분화를 유도하여 신경세포(Neuron)의 재생을 유도하는 후반부 작용을 통합적으로 유도함을 밝혔다 (C).