척수 손상 연구의 역사

고대 이집트부터 현재까지의 척수 손상 연구

과학, 의학 역사 대부분에 걸쳐 척수 손상(spinal cord injury, SCI)과 마비는 회복하거나 치료할 수 없는 질환으로 간주했습니다. 고대 이집트의 의사들은 척추를 다친 환자는 도와줄 방법이 없다고 생각했습니다. 이후 신경계와 그 기능을 더 많이 이해하게 되었지만, 중추 신경계의 신경(즉, 뇌와 척수)이 손상되면 다시 생성될 수 없다는 믿음은 오래 유지되었습니다.

이러한 맹신이 자취를 감춘 것은 고작 35년밖에 되지 않았습니다. 말초신경이 손상되면 재생되어 온전한 기능을 할 수 있다는 것은 이미 알려진 지 오래된 사실이었습니다. 이를 비추어 과학자들은 말초신경계는 어떤 차이점이 있는지에 관한 의문을 품게 되었습니다.

1980년대 쥐를 대상으로 한 실험에 따르면 말초신경계를 재현한 실험 환경 아래의 중추신경계 세포는 신경섬유나 축삭을 재생시킬 수 있는 것으로 나타났습니다.

이러한 현상의 원인은 무엇일까요? 말초신경계 환경은 중추신경계 축삭에 좋은 특정 영양분을 제공하는 한편, 중추신경계 환경은 신경이 회복하는 것을 방해하는 분자를 가지는 점을 일부 원인으로 볼 수 있습니다.

연구원들은 살아있는 인체에서 축삭이 재생되도록 돕는 분자의 정확한 조건을 밝혀내기 시작했습니다. 또한 중추신경계에서 축삭의 재생을 방해하는 요인도 발견해 냈습니다. 1980년대 후반에 이 장애요인과 관련된 최초의 발견은 중추신경계의 신경을 싸고 있는 말이집(myelin sheath)에서 재생을 강력히 억제하는 단백질을 만들어낸다는 사실이었습니다. 이 억제 단백질이 제거되면 축삭들은 상당히 왕성하게 성장했습니다.

해당 발견으로 인해 어떤 희망도 가질 수 없는 것으로 치부되던 질병에 새로운 가능성을 기대하게 되었고 이를 통해 척추학 연구 전 영역에 새로운 시대가 열렸습니다.

신경 세포 보호

1990년대: 과학자들이 발견한 바에 따르면 척수에 대한 손상은 장기간의 여러 손상으로 발생합니다.

가장 먼저 척수가 손상되고 뒤이어 세포가 손상되며 병변 부위에 염증과 화학적 교란을 일으킵니다. 그리고 1990년 스테로이드라는 약물이 급성 척수 손상 치료제로 승인받게 됩니다.  

현재: 교세포와 혈압 및 면역반응 등의 역할에 관해 새로 알게 된 지식을 바탕으로 척수 손상을 정확하고 효과적으로 치료하기 위한 연구가 계속되고 있습니다.

동물실험에서 신경 손상을 최소화하고 기능을 보존하는 것으로 나타난 약물과 냉각 요법, 세포 치료에 관한 다양한 임상시험이 진행되고 있습니다.

축삭 성장 촉진

1990년대: 과학자들은 직접적으로 축삭의 성장을 촉진하거나 성장을 억제하는 분자를 막는 물질을 사용해 손상된 신경을 치료하기 시작했습니다. 동물실험에서 이러한 방법으로 각각 손상된 신경 세포가 성공적으로 재생되었고 척수 기능의 일부가 회복되기도 했습니다.

현재: 과학자들은 신경 세포가 잘 성장할 수 있도록 중추신경계 환경을 계속해서 바꾸고 있습니다. 성장의 촉진이나 억제를 담당하는 고유 분자들이 많이 발견되었고 성장 촉진 분자도 다수 발견되었으며 이에 관한 실험이 계속되고 있습니다. 

손상된 축삭 그 자체로는 부상에 대해 효과적으로 반응할 수 없다는 흥미로운 새 연구 분야가 밝혀졌습니다. 과학자들이 배아 발달에 관한 인체의 유전암호를 연구하면서 부상에 따른 신체의 반응을 재실행해 전례 없는 축삭의 성장을 일으킬 수 있었습니다. 이는 중요한 발전이지만 이 연구 분야는 더 많은 연구가 필요합니다.

손상된 축삭을 재생시키는 것만으로 신경 세포가 기능을 회복하는 것은 아닙니다. 축삭이 성장하려면 적절한 영양 공급과 그에 걸맞은 환경도 조성되어야 하며, 이후에 통증이나 강직이 아닌 유용한 기능을 해내는 목표로 이어져야 합니다.

보상성장 증진

1990년대: 과학자들은 손상된 축삭의 회복을 돕는 치료법이 주변의 정상적인 신경 세포의 성장을 도와 세포 회복도 돕는다는 사실을 알아냈습니다.

현재: 연구원들은 이 과정을 조절해 불완전 척수 손상 환자가 손상이 있으나 온전한 신경망을 재건할 수 있도록 노력을 계속하고 있습니다. 불완전 척수손상은 손상된 신경의 기능을 대신하도록 유도할 수 있는 정상적인 신경이 존재하는 상태를 의미합니다.

가소성

1990년대: 21세기 초반까지만 해도 신경계는 성장 과정에서 형성되어 평생 변하지 않는 단일 신경다발로 이루어졌다고 굳게 믿었습니다.

현재: 과학자들은 이제 뇌가 불변하지 않는다는 것을 알고 있으며, 실제 성인이 되어서도 뇌에서 신경 세포가 새로 생성됩니다. 또한 신경의 성장을 조작하거나 촉진하는 방법도 있습니다. 손상을 입으면 그로 인한 혼란스러운 신호에 적응하기 위해 대대적인 신경 재적응이 일어납니다. 척수 회로는 가소성이 좋아 손상된 부위의 기능을 대신하도록 훈련할 수 있습니다. 간헐적 저산소 훈련이나 신체 운동과 같은 단순한 요법으로도 운동기능에 관한 특정 신경들이 상당히 성장하는 것으로 보입니다.

과학자들은 신경발생 및 가소성을 높일 수 있는 다양한 약물 요법을 연구하고 있습니다. 마음 챙김 활동으로도 기억과 인지와 관련한 가소성에 영향을 미치는 것으로 밝혀졌습니다. 뇌나 척수에 전기 자극을 사용해 가소성을 증진함으로써 운동기능을 회복하게 하는 방법도 굉장한 관심을 끌고 있습니다.

척수의 미세한 신경회로가 완벽하게 파악된 것은 아니지만 이 영역에 대한 연구로 더 정확한 치료법을 찾아내 마비가 있는 사람의 필요에 맞춰 회복을 촉진하고 가소성을 높일 수 있다고 확신합니다.

신경교세포

1990년대: 과학자들은 별아교세포(astrocytes)와 희소돌기아교세포(oligodendrocytes)가 신경계에 고정되어 혈관과 신경세포 사이를 채우는 수동적인 역할만을 하는 것이 아니라는 사실을 처음으로 인지했습니다.

현재: 계속해서 신경계 보조 세포들의 더 많은 역할을 발견했습니다. 별아교세포는 신경 세포에 영양을 공급하는 긍정적인 역할과 함께 부상 부위를 밀봉하는 부정적인 역할을 맡으며 신경계 부상 반응에 있어 매우 중요한 역할을 한다는 것이 널리 알려졌습니다.

희소돌기아교세포는 전기화학 신호를 가속하는 신경 축삭의 절연체인 말이집의 생성에 핵심적입니다. 소실된 말이집(다발성 경화증의 특징이기도 함)은 세포 치료법으로 치료할 수 있는 것으로 보입니다.

흉터 형성 방지

1990년대: 척수 손상 부위의 흉터 조직은 물리적이고 화학적으로 회복을 방해합니다. 1990년대 연구원들은 흉터 조직과 연관된 몇몇 성장 억제 분자의 신호를 찾아냈고 이 억제 신호를 해결할 방법을 모색하기 시작했습니다.

현재: 연구원들은 흉터를 본질적으로 제거하고 신경이 흉터 부위를 지나갈 수 있도록 하는 효소를 실험하고 있습니다. 동물실험 연구에서는 흉터 제거 약물로 손상된 기능이 회복되는 결과를 얻었습니다. 사람을 대상으로 한 실험도 기술적인 세부 사항을 정하고 진행할 것으로 계획되어 있습니다.

인공 가교

1990년대: 축삭이 성장하는 데는 단단한 기반이 필요합니다. 축삭 자체로 척수 병변 부위의 물리적인 틈새를 가로지를 수 없습니다. 1990년대 연구원들은 신경 세포가 이러한 틈을 지나도록 도울 수 있는 인공 물질을 실험하기 시작했습니다. 특정 세포를 이식해 틈새를 연결할 수 있다는 사실도 발견하게 되었습니다. 실험동물에서 채취한 슈반세포, 후각피복교세포 등 지지세포 이식을 통해 상당한 가능성을 찾았습니다.

현재: 연구원들은 살아있는 세포를 대체해 틈을 메울 합성 고분자 지지체와 유기 물질(예: 어류 섬유소)을 개발했습니다.

이러한 지지체는 세포 성장에 물리적인 지지대 역할을 할 뿐 아니라 성장 촉진 분자나 심지어 줄기세포와 결합해 기능 회복을 도울 수도 있습니다.

연구원들은 전문화된 세포 이식의 성공률을 높이기 위해 노력하고 있습니다. 동물실험 덕분에 임상시험이 수행되었습니다. 여러 유형의 줄기세포와 마찬가지로 슈반(Schwann)세포와 후각피복교세포(OEG) 이식도 이미 인체 실험 단계에 돌입했습니다. 일부 실험에는 장기적 손상을 입은 사람들이 참여하는데, 이는 특히 고무적인 일입니다.

줄기세포

1990년대: 과학자들은 인간의 줄기세포를 분리하는 방법을 알게 되었고 손상된 신경회로를 재건하려는 목적으로 동물에 줄기세포를 이식하는 연구를 시작했습니다. 이 미분화세포가 필요한 곳에 정착해 손실된 세포로 변화해 성장하기를 기대했습니다. 줄기세포를 신체에 발생한 모든 문제를 해결할 수 있는 “천연 도구 상자”로 과대 선전하는 때도 많았습니다. 

많은 사람들이 충분한 과학적, 임상적 근거 없이 줄기세포 치료를 주장하고 홍보하는 해외 병원에 현혹되었다는 점은 안타까운 점입니다.

오늘날: 줄기세포에 기대했던 굉장한 가능성이 천천히 현실화하고 있습니다. 현재 만성 및 급성 척수 손상을 포함해 다양한 질병에 줄기세포를 이용한 임상시험이 실시되고 있습니다.

줄기세포 과학자들은 신체 세포인 유도만능줄기세포를 포함한, 보다 원시적인 상태로 만들어질 수 있는 새로운 세포 형태를 발견했습니다. 유도만능줄기세포는 미분화 줄기세포와 매우 흡사하며 배아세포와 관련한 윤리적 문제를 피할 수 있습니다.

재활 재설계

1990년대: 척수 손상 연구 분야에서 재활을 보상적 장치와 도구를 제공하는 것 이상이라고 인식하기 시작했습니다. 걷기를 체계화해 반복 행위로 뇌에서 명령하지 않아도 허리 척수(부상 부위의 아래)가 운동을 통제하는 방법을 “학습”하도록 돕는 것을 발견한 동물과 인간 대상 연구 결과에 힘입어 척수 손상에 대한 재활 측면에서 물리치료의 중요성이 확실히 자리 잡게 되었습니다.

과학자들은 또한 활동을 기반으로 한 치료법이 축삭의 성장과 신경 세포 생존을 지원하는 체내 분자 신호 생성에 도움이 된다는 것을 알아냈습니다.

오늘날: 고강도 운동이 재활의 표준 과정으로 포함되었습니다. 과학자들은 특정 유형의 활동 패턴으로 척수의 휴면 신경 회로를 활성화해 어느 정도의 기능을 회복시킬 수 있다는 사실을 알게 되었습니다.

이는 치료사의 도움을 받아 작동 중인 러닝머신 위에서 걷기 운동과 같은 운동 훈련에 관한 신경 회복의 기본을 구성합니다. 한층 더 나아가 연구원들은 활동에 척수 자극술도 포함했습니다. 일부 환자는 척수 자극술로 놀라울 정도의 기능 회복을 보여주었습니다. 또한 척수 자극술은 심혈관, 방광 및 성기능에도 도움을 줍니다. 앞으로도 이에 관한 인체 실험이 계속 이루어질 것입니다.

선도적 유전학 연구

1990년대: 과학자들이 뇌와 척수가 어떻게 형성되는지에 관한 유전적 연구 기반을 다지기 시작했습니다.

현재: 연구원들은 발달 생물학과 출생 전 신경계를 형성하는 패턴을 구성하는 특정 유전자를 심층적으로 파악하게 되었습니다. 

현재 과학자들은 동물 성체에서 신경 성장을 촉진하는 유전자 표적을 활성화하는 것이 가능하다고 봅니다. 정교한 마이크로 어레이(micro-array) 선별 기술과 쥐와 인간의 유전체 분석 자료를 이용해 축삭 재생에 관한 세포 활동과 행동에 대한 신체의 유전 암호를 더 잘 이해할 수 있게 되었습니다.

25년 전에는 없던 최신 연구 주제

혼합 치료법: 척수 손상을 한 가지 방법으로 치료하는 경우는 드뭅니다. 그보다는 장기간에 걸쳐 여러 치료법을 혼용하는 접근이 필요할 것입니다.

뇌-컴퓨터 인터페이스: 지난 10여 년 동안 생명공학자들은 인간을 포함한 동물의 뇌파를 활용해 컴퓨터 장치를 제어할 수 있었습니다.

예를 들어 붉은 털 원숭이는 생각만으로 마비된 다른 원숭이의 손을 정확하게 움직일 수 있었습니다. 사지마비 환자인 한 여성이 생각만으로 전투기 시뮬레이터를 조종했습니다. 사지가 마비된 남성은 의수로 생각을 전달해 맥주잔을 들고 마실 수 있었습니다. 이 분야의 연구는 수많은 실험실에서 아주 빠르게 발전하고 있습니다.  

새로운 방법: 이제 과학자들은 여러 방법을 활용해 살아있는 동물의 신경 기능을 관찰합니다. 광유전학을 포함한 새로운 방법으로 광원을 이용해 개별 세포를 활성화하거나 비활성화할 수 있습니다. 현재는 유전 암호를 조작하거나 편집하는 새로운 방법도 사용할 수 있습니다.

빅데이터: 척수 손상 연구 분야는 생물정보학을 적극적으로 활용하고 있습니다. 이른바 빅데이터 분석으로 연구원들은 과거에는 불가능했던 수준의 패턴과 정보를 담은 거대한 양의 연구 자료를 얻을 수 있습니다. 그뿐만 아니라 반복을 최소화하고 연구 결과를 빠르게 얻을 수 있도록 실험 방식을 표준화하는데도 큰 진전이 있었습니다.

분석 지표: 치료법의 효과를 검증하기 위해 연구원들은 기능의 변화를 일관적이고 정확하게 측정할 수 있는 아주 정교한 방법을 고안해 냈습니다. 그 예로, 경추 손상 치료법에 관한 손과 손가락 기능을 시험하는 일련의 절차가 있습니다. 임상시험을 계획하고, 실행하며, 궁극적으로 성공하려면 적절하고 정밀한 결과 측정이 아주 중요합니다.