뇌 혈류 측정의 미래, 저산소 기술이 열다!…뇌질환 조기진단

IBS 뇌과학 이미징 연구단이 개발한 새로운 뇌 혈류 측정 방법은 저산소증을 활용하여 뇌의 혈류를 정확하게 측정하는 혁신적인 기술입니다. MRI를 통해 비침습적으로 혈류를 모니터링하여 뇌질환의 조기진단과 치료 효과를 모니터링할 수 있습니다. 이 연구 결과는 국제학술지에 발표되어 의료기술 분야에 큰 관심을 끌고 있습니다.

 

▲ 이번 연구에 참여한 IBS 뇌과학 이미징 연구단 연구팀

• 왼쪽부터 김성기 IBS 뇌과학 이미징 연구단 단장(교신저자), 임근호 선임연구원, Thuy Thi Le 박사과정생(제1저자), 최상한 선임연구원, 이찬희 연구원

 

저산소 활용 뇌 혈류 측정, 정확하고 반복 가능한 새로운 방법 개발

IBS 뇌과학 이미징 연구단 김성기 단장 연구팀은 저산소 상태를 이용하여 뇌 혈류를 측정하는 새로운 방법을 개발했습니다. 기존 방법보다 정확하고 반복 가능하며, 뇌질환 진단 및 치료 효과 평가에 큰 도움이 될 것으로 기대됩니다.

기존 방법의 한계, 새로운 혈류 측정 시스템의 필요성

뇌 혈류는 뇌 기능을 유지하는 데 필수적인 역할을 합니다. 뇌질환 진단 및 치료 효과 평가를 위해 혈류 측정은 매우 중요하지만, 기존 방법들은 정확도가 떨어지거나 반복 측정이 어려운 문제점이 있었습니다.

저산소 상태를 이용한 혈류 측정, 정확하고 반복 가능한 장점

연구팀은 흡입 마취 상태인 쥐 모델에 질소 가스를 5초 동안 노출하여 저산소 상태를 유도했습니다. 이때 발생하는 MRI 신호 변화를 통해 뇌혈류용적(CBV)과 뇌혈류량(CBF)을 측정했습니다. 이 방법은 기존 방법보다 신호 감도가 높아 작은 혈류 변화도 민감하게 측정할 수 있으며, 단기간에 반복 측정이 가능하다는 장점이 있습니다.

 

▲ 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.

 

쥐 모델에서 성공적인 적용

연구팀은 개발한 시스템을 쥐 모델에 성공적으로 적용했습니다. 이는 기존 방법보다 정확하고 반복 가능한 뇌 혈류 측정 결과를 얻을 수 있었습니다.

• 기존 방법보다 정확하고 반복 가능한 뇌 혈류 측정 결과를 얻을 수 있었습니다.
• 뇌 영역별 혈류 변화를 정확하게 측정했습니다.
• 뇌졸중 유발 쥐 모델에서 뇌 손상 부위의 혈류 변화를 관찰했습니다.

쥐 모델에서의 성공적인 결과는 저산소 활용 뇌 혈류 측정 방법이 뇌질환 연구에 유용한 도구가 될 수 있다는 가능성을 보여줍니다. 연구팀은 앞으로 다음과 같은 연구를 진행할 계획입니다.

• 다양한 뇌질환 동물 모델에서 혈류 측정 연구를 수행하여 뇌질환의 진단 및 치료 효과 평가에 활용할 수 있는 가능성을 검증합니다.
• 사람에게 적용 가능한 뇌 혈류 측정 방법을 개발합니다.

이 연구 결과는 뇌질환 진단 및 치료 효과 평가에 새로운 패러다임을 제시할 것으로 기대됩니다.

 

▲ 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)

 

다양한 뇌질환 진단 및 치료에 기여할 것으로 기대

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

IBS 연구팀의 혁신적인 연구, 뇌과학 발전에 새로운 흐름을 만들다

IBS 연구팀의 저산소 활용 뇌 혈류 측정 방법은 기존 방법의 한계를 극복하고 뇌 혈류 측정의 정확성과 반복 가능성을 크게 향상시켰습니다. 이 연구는 뇌질환 진단 및 치료 효과 평가에 새로운 도구를 제공할 뿐만 아니라, 뇌과학 연구 발전에도 새로운 흐름을 만들 것으로 기대됩니다.

연구 추가 설명

논문/저널/저자

 

Mapping cerebral perfusion in mice under various anesthesia levels using highly sensitive BOLD MRI with transient hypoxia/ SCIENCE ADVANCES (2024)/ Thuy Thi Le, 임근호, 이찬희, 최상한, 김성기

사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 온라인판 2월 28일(한국시간) 등록

연구내용 보충설명

본 연구는 자기공명영상(MRI)을 이용해 소동물(마우스, 랫트 등) 조직 및 장기 등에 혈액의 흐름 즉, 관류(perfusion)를 비침습적으로 측정하는 방법에 관한 것이다. 생의학 관련 분야에서는 ‘관류’로 표현되나 대중의 이해를 돕기 위해 ‘혈류’로 표현했습니다.

일반적으로 MRI에서 혈류측정은, 생체 내 혈액에서 발생하는 MRI 신호 변화량(∆T1, ∆T2, ∆T2*)을 측정해 관심 영역의 혈류용적(blood volume), 혈류량(blood flow) 등 혈류지표를 계산합니다. 본 연구는 질소(N2) 가스를 수 초간 흡입하면 일시적인 저산소 상태에서 발생하는 혈액 내 MRI 신호 변화를 이용해 혈액의 흐름과 양을 측정하는 방법입니다.

또한, 소동물 MRI 실험은 대부분 주사마취제 혹은 흡입마취제(inhalation anesthetic agent)로 소동물을 마취해 실험합니다. 본 연구에서 마취제는 아이소프로란(Isoflurane) 흡입마취제(inhalation anesthetic agent)를 사용했습니다. 특별히 제작·고안된 고정/공급장치(animal cradle)와 기존 가스공급 장치를 결합한 시스템에 흡입마취제와 관류측정용 질소가스를 사용해 소동물 생체 내 혈류를 측정했습니다. 또한, 동물실험의 대표적인 주사제 마취약인 덱스메데토미딘(Dexmedetomidine)과 케타민(Ketamin)을 이용한 마취 상태에서 혈류측정 연구도 진행했습니다.

연구 이야기

[연구 과정] 

본 연구는 기존방법으로 마우스에서 혈류를 정확히 측정할 수 없는 한계를 극복하고자 시작됐습니다. 우선 혈류 변화를 가장 잘 반영하는 MRI 방법을 찾아야 했는데, 이 분야의 석학인 김성기 단장이 가스 자극에 의한 혈류 반응을 이용하자고 제안했습니다. 이는 결국 문제 해결의 출발점이 됐습니다. 

이를 구현하고자 여러 장비를 제작했고, 제작된 시스템에서 얻은 영상신호로 혈류지표를 계산하는 방법을 모색했습니다. 혈류가 반영된 영상을 완성하고 이를 마취약별로 적용하는 연구를 진행했습니다.

[어려웠던 점] 

큰 어려운 점은 없었지만 여러 장비와 고정장치를 직접 제작해야 했습니다. 3D 프린터를 이용하기 위해 CAD 프로그램을 배우고, 제작·실험·수정하는 과정을 여러 번 반복한 후 시스템을 완성할 수 있었습니다. 여러 종류의 마취약을 실험하기 위해 흡입, 정맥주사, 복강주사 등 다양한 마취약 투여방법에 대한 연습이 필요했습니다.

[성과 차별점]

다른 영상장치(PET, CT, 초음파 등) 및 기존 관류측정 방법은 대부분 방사성화합물 혹은 조영제를 정맥에 주사합니다. 따라서 측정에 실패할 경우 최소 수일 이상 지나야 재촬영이 가능하고, 소동물에서는 측정 영역 및 해상도 관련 제한점도 많습니다.

새로 개발된 방법은 기존과 달리 실제와 유사한 뇌혈류량 측정이 가능하고 신호대잡음비가 높으며, 뇌뿐만 아니라 다른 조직 및 장기에도 적용 가능하다는 장점이 있습니다.

본 관류측정 기술 시스템은 한 개체를 짧은 시간 내 반복적으로 측정할 수 있어, 시간 단축 및 비용 절감이 가능하며 몸 전체 조직 및 장기에 발생하는 다양한 허혈성 질환 또는 암 질환 등에 적용될 수 있습니다.

특히, 치료약물 투여 전후의 변화를 측정함으로써 전임상/임상 약효 유효성 평가에 중요한 기술로 사용될 수 있습니다. 추적 관찰하는 연구 및 평가에도 유용하게 사용될 수 있습니다.

[향후 연구계획] 

저산소증으로 인한 생리학적 변화를 완화하기 위해, 보다 가벼운 저산소 자극을 위한 혼합가스 사용 연구와 이산화탄소(CO2), 산소(O2) 등에 다른 가스 자극을 이용하는 혈관 생리학 연구
뇌종양(Tumor), 뇌졸중(Stroke), 허혈성 질환(Ischemia) 등에 쥐 질병 모델을 이용한 적용 연구
현재 1초 정도인 시간 해상도를 높이기 위해 다중 슬라이스 샘플링과 같은 여러 MRI 기법 및 분석 방법 적용 연구
사람에 적용 가능한 가스 전달 및 자극 시스템 개발

 

 

출처: 기초과학연구원

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