비침습적 경두개전류자극치료에 새 전극 설계·도입

왼쪽부터 교신저자 최병태 교수와 신화경 교수, 제1저자 정다희 박사.

[한의신문=강환웅 기자] 부산대학교 한의학전문대학원 한의과학과 최병태·신화경 교수 연구팀이 비침습적인 뇌신경조절치료(neuromodulation) 방법의 하나인 경두개전류자극치료(transcranial direct/alternating current stimulation)를 위한 새로운 전극을 도입해 초기 뇌졸중 치료법을 제시했다. 뇌신경조절치료란 미세전류, 자기장, 빛, 초음파 등의 다양한 에너지원을 뇌에 자극해 뇌신경세포의 활성도를 조절함으로써 뇌신경기능을 개선·회복하는 치료 기술을 말한다.

경두개전류자극치료는 패치형태의 양극(anodal electrode)과 음극(cathodal electrode)을 머리덮개(scalp)에 부착하고, 일정한 전류를 흘리는 뇌자극(brain stimulation) 방법 중 하나다. 이번에 연구팀이 개발한 것은 경두개전류자극치료를 위한 새로운 전극으로, 이를 초기 뇌졸중 마우스모델에 적용해 지금까지 치료가 한정적이었던 초기 뇌졸중의 대안 치료법을 제시하고 이에 대한 뇌신경보호 기전도 규명했다.

뇌신경질환 치료의 대안으로 제시되고 있는 경두개전류자극 중 특히, 경두개직류자극치료(transcranial direct current stimulation)는 짧은 시간 동안 뇌피질 특정 부위를 안전하게 자극해 환자의 순응도가 높고, 치료 중 재활치료를 병행할 수 있는 장점이 있다. 그러나 기존 넓은 패드형 전극을 이용한 경두개직류자극치료는 두개골의 전기투과성과 특정 대뇌피질에 대한 자극 집중도를 효율적으로 높이는데 한계가 있어, 이러한 한계점을 극복하고 연속적인 자극이 가능한 개선된 자극원(전극)에 대한 기술 개발이 필요한 실정이었다.

또한 기존 경두개직류자극치료의 전극배치(electrode configuration)는 대뇌반구간경쟁모델(interhemispheric competition model)을 기반으로 해 만성 뇌졸중 장애의 재활에 중점을 두고 있다. 대뇌반구간경쟁모델이란 뇌졸중에 의해 손상된 한쪽 대뇌반구는 다른 쪽 대뇌반구의 기능에 억제적인 영향을 나타낸다는 가설로, 비정상적인 대뇌반구간 억제는 많은 뇌신경조절치료의 기초가 되는 가상 모델이다.

경두개직류자극치료도 이 모델에 기초해 뇌졸중에 의한 병변 대뇌반구에 양극을, 반대쪽 대뇌반구에 음극을 배치함으로써 뇌신경의 활성과 억제를 통해 뇌신경 기능을 회복시키는 방법을 사용하고 있다. 그러나 경두개직류자극치료는 뇌졸중의 발병 단계에 따라 상이한 임상 결과를 생성하므로 뇌 허혈의 손상 메커니즘을 기반으로 신중하게 결정해야 한다.

이에 경두개직류자극치료의 전극은 크기와 모양 등의 특징이 목적한 뇌피질 부위의 전류 밀도, 위치 및 공간 분포를 결정하기 때문에 매우 중요한 것으로, 연구팀은 전통적인 경두개직류자극치료의 특수성과 한계를 극복하기 위해 더 작은 원형 기반의 고밀도 전극(ring-based high definition electrode)에 바늘 모양의 구조물을 결합해 경두개직류자극의 새로운 전극을 설계했다.

그 결과 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 새로운 전극에 의한 경두개직류자극이 기존 전극보다 목적한 뇌피질에서 각각 12.9%(V/m) 및 3.4%(C/m²)의 더 높은 상대적 최대전위 및 전류밀도를 확인했다. 또한 보다 높은 전류세기와 공간초점을 나타내 기존 전극치료에 비해 뇌졸중 경색(梗塞)과 염증 반응이 감소해 보다 나은 운동과 인지기능 개선 치료 효과를 나타낸다는 것도 확인할 수 있었다.

이와 함께 기존 대뇌반구간경쟁모델 가설과 달리 뇌졸중에 의해 손상되지 않은 대뇌반구에 양극을 적용하는 전극 배치는 초기 뇌졸중 마우스모델에서 보다 나은 치료 효과를 나타냈다. 새로운 전극 배치는 뇌졸중의 손상과 관련된 다양한 유전자를 조절하지만, 특히 공통적으로 NMDA 의존성 SREBP1 신호(N-methyl-D-aspartate-dependent sterol regulatory element-binding protein 1 signaling)와 관련 염증 인자의 조절을 통해 신경세포 죽음을 개선했으며, 이는 뇌졸중으로 인한 운동과 인지 결함을 완화하는 치료효과로 나타났다.

이 같은 내용이 담긴 논문은 국제학술지 ‘Theranostics’ 1월21일자에 ‘Therapeutic effects of a novel electrode for transcranial direct current stimulation in ischemic stroke mice(경두개직류자극을 위한 새로운 전극의 허혈성 뇌졸중 마우스에 대한 치료 효과)’라는 제하로 게재됐다. 이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업, 바이오·의료기술개발사업 지원을 받아 한의과학과 정다희 박사졸업생(지도교수 최병태)이 제1저자, 최병태 교수와 신화경 교수가 교신저자로 수행했다.

이와 관련 연구팀은 “뇌질환에 대한 경두개직류자극치료의 완전한 메커니즘은 아직 규명되지 않았지만, 이번 연구는 치료법이 한정된 초기 뇌졸중에 경두개직류자극치료를 적용할 수 있는 근거가 된다”고 설명했다.

또한 Theranostics의 심사논평에서도 “초기 뇌졸중에 대한 치료법이 재관류 치료법(reperfusion therapies)으로 한정되기 때문에 경두개직류자극치료를 신경보호 치료법으로 적용하는 연구는 잠재적인 미래 영향력에 대한 높은 가치가 있다”고 평가했다.