인간에게도 '동면'이 가능하다?
- 건강의학 / 문광주 기자 / 2023-06-04 15:32:09
3'30" 읽기
- 초음파 펄스는 설치류를 인위적으로 수면 모드로 전환할 수 있다.
- 초음파 펄스는 쥐의 체온을 즉시 평균 섭씨 3~3.5도 낮추고 심박수가 약 47% 감소
- 산소 소비량도 감소. 생쥐의 신진대사도 바뀌었다.
- 혼침의 주요 특징인 에너지를 위해 지방만 태웠다.
일부 포유류와 새는 신진대사와 체온을 차단하는 동면과 같은 상태인 혼침 상태(Torpor:무기력 상태, 보통의 자극에 반응이 없는 상태)에 의도대로 들어갈 수 있다. 이를 통해 에너지를 절약하고 극한의 추위나 식량 부족과 같은 가혹한 조건에서 살아남을 수 있다. 토퍼 능력을 가진 동물의 예로는 햄스터와 박쥐가 있다. 그러나 내장된 에너지 절약 모드는 우리 인간에게도 이점이 될 것이다. 그것은 우리가 생명을 위협하는 질병에서 살아남거나 우주에서 먼 거리를 여행하는 데 도움이 될 수 있다.
마우스용 초음파 모자
세인트루이스에 있는 워싱턴 대학의 양 야오헝이 이끄는 연구원들은 이제 오랫동안 공상 과학 소설로 여겨졌던 인간의 무감각에 한 걸음 더 다가섰을지도 모른다. 쥐의 뇌 영역 중 어느 부분이 수면 모드를 촉발하는지가 명확해졌기 때문에 Yang과 그의 동료들은 인위적으로, 무엇보다 비침습적으로 활성화하도록 촉진했다. 그들은 이러한 유형의 첫 번째 테스트를 생쥐에게 수행했는데, 생쥐는 가혹한 환경 조건이 강제로 그렇게 하도록 강요할 때 자연적으로 혼수상태에 빠진다.
음식이 부족하지 않고 버튼을 눌러 이 상태를 유발하기 위해 연구자들은 특별히 개발된 초음파 송신기를 동물의 머리에 묶었다. 마우스는 계속해서 자유롭게 움직일 수 있다. 이어 연구팀은 체온과 신진대사 조절에 관여하는 뇌 영역인 시상하부의 시각전 영역을 겨냥한 10초간 초음파 펄스를 방출했다.
토퍼와 같은 상태로 인공적으로 복원됨
결과: 초음파 펄스는 쥐의 체온을 즉시 평균 섭씨 3~3.5도 낮췄다. 또한 심박수가 약 47% 감소했고 산소 소비량도 감소했다. 생쥐의 신진대사도 바뀌었다. 그는 이제 혼침의 주요 특징인 에너지를 위해 지방만 태웠다.
연구진에 따르면 이러한 특성의 조합은 초음파 자극이 마우스를 일시적으로 혼침과 같은 상태에 놓이게 함을 시사한다. 인위적으로 유도한 최대 절전모드는 약 1시간 동안 지속됐다. 뇌 활동의 분석은 초음파 자극이 시상 하부의 시신경 전 영역에 있는 뉴런 그룹으로부터 명확하게 인식할 수 있는 반응을 유도한다는 것을 보여주었다. 그들은 활동을 증가시켰다.
"초음파 영역의 경두개 자극은 초음파 유발 저체온증과 대사 저하를 유발하기에 충분했다"고 Yang은 말했다. "이것은 생쥐에서 혼침과 같은 상태를 조율하는 데 있어 이 영역의 중요한 역할을 확인시켜 준.“
반복되는 맥박이 무기력을 연장함
인공 동면 기간과 깊이는 초음파 자극에 의해 구체적으로 제어될 수도 있다. 이를 위해 연구원들은 초음파 송신기를 자동화 시스템과 결합했다. 이것은 설치류의 체온이 다시 상승할 때를 감지할 수 있으며, 그런 다음 토퍼와 같은 상태를 유지하기 위해 또 다른 초음파 펄스를 트리거할 수 있다. 전반적으로 팀은 동물에게 눈에 띄는 손상이나 불편함을 주지 않고 쥐를 24시간 동안 휴면 모드로 유지했다.
Yang과 그의 동료들은 또한 뇌에서 무기력을 유발하는 분자를 식별할 수 있었다. 뉴런 활동 및 유전적 시퀀싱의 측정은 초음파가 시각전 영역의 신경 세포에서 소위 TRPM2 이온 채널을 활성화한다는 것을 밝혔다. 연구원들은 이러한 채널이 체온과 대사 활동을 낮추는 데 필수적이라고 가정한다그들이 이것을 정확히 어떻게 하는지는 아직 불분명하다.
인간에게도 토퍼(동면상태)가 가능할까?
"그러나 정당한 질문은 생쥐의 초음파 유발 저체온증과 대사 감소가 인간에게도 적용될 수 있는다"고 Yang과 그의 팀은 말했다. 생쥐와 달리 우리는 자연스럽게 혼침이나 동면에 빠지지 않기 때문이다. 이 질문에 답하기 위해 연구자들은 혼침을 모르는 쥐를 대상으로 동일한 실험을 반복했다.
그 결과 쥐의 심부 체온도 초음파 자극 후 1~2도 떨어졌다. "체온 감소 정도는 생쥐보다 쥐에서 적었지만, 이 데이터는 초음파로 유발된 저체온증과 대사 저하가 자연적인 무기력이 없는 동물에서도 가능하다는 것을 보여준다"고 과학자들은 기술했다. "이것은 유사한 효과가 인간에게도 유발될 수 있음을 나타낸다.“
의학 및 항공 우주 분야의 응용
Yang과 그의 팀에 따르면, 초음파 유도 저체온증과 대사 억제는 인간의 동면과 같은 상태를 안전하고 비침습적으로 달성하기 위해 오랫동안 추구해 온 길을 열 수 있다. "이 목표는 적어도 1960년대부터 추구해 왔다”라고 그들은 설명한다. 그러나 지금까지 특정 효과가 거의 없고 때로는 심각한 부작용이 있는 약리학적 접근이 주로 테스트되었다.
초음파를 사용하여 비침습적으로 토퍼를 트리거하면 수많은 새로운 가능성이 열릴 수 있다. 연구원들은 "토퍼와 같은 신체 활동은 생명을 위협하는 상태(예: 심장마비 또는 뇌졸중)에서 신진대사 및 질병 진행을 늦추어 환자의 생존율을 높일 수 있다"고 설명했다. Torp는 승무원의 에너지 소비를 줄이기 위해 화성과 같은 행성으로의 장기 우주 비행에도 사용될 수 있다. (Nature Metabolism, 2023; doi: 10.1038/s42255-023-00804-z)
- 초음파 펄스는 설치류를 인위적으로 수면 모드로 전환할 수 있다.
- 초음파 펄스는 쥐의 체온을 즉시 평균 섭씨 3~3.5도 낮추고 심박수가 약 47% 감소
- 산소 소비량도 감소. 생쥐의 신진대사도 바뀌었다.
- 혼침의 주요 특징인 에너지를 위해 지방만 태웠다.
인간에게도 '동면'이 가능하다?
초음파 펄스는 설치류를 인위적으로 수면 모드로 전환할 수 있다.
버튼 하나만 누르면 수면 모드:
과학자들은 생쥐를 최대 절전모드와 유사한 상태로 만드는 데 성공했다. 그들은 비침습적 초음파 펄스를 사용해 설치류의 뇌에 있는 특수 신경 세포를 활성화했다. 이것이 체온과 신진대사 활동을 낮췄다. 이 가역 수면 모드는 우리 인간에게도 촉발될 수 있다. 가능한 용도는 의료 응급 상황이나 유인 장거리 우주여행이다.
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| ▲ 설치류는 초음파를 사용하여 안전하고 비침습적으로 최대 절전 모드와 같은 상태로 전환할 수 있다. © Chen Laboratory, Washington University in St. Louis |
일부 포유류와 새는 신진대사와 체온을 차단하는 동면과 같은 상태인 혼침 상태(Torpor:무기력 상태, 보통의 자극에 반응이 없는 상태)에 의도대로 들어갈 수 있다. 이를 통해 에너지를 절약하고 극한의 추위나 식량 부족과 같은 가혹한 조건에서 살아남을 수 있다. 토퍼 능력을 가진 동물의 예로는 햄스터와 박쥐가 있다. 그러나 내장된 에너지 절약 모드는 우리 인간에게도 이점이 될 것이다. 그것은 우리가 생명을 위협하는 질병에서 살아남거나 우주에서 먼 거리를 여행하는 데 도움이 될 수 있다.
마우스용 초음파 모자
세인트루이스에 있는 워싱턴 대학의 양 야오헝이 이끄는 연구원들은 이제 오랫동안 공상 과학 소설로 여겨졌던 인간의 무감각에 한 걸음 더 다가섰을지도 모른다. 쥐의 뇌 영역 중 어느 부분이 수면 모드를 촉발하는지가 명확해졌기 때문에 Yang과 그의 동료들은 인위적으로, 무엇보다 비침습적으로 활성화하도록 촉진했다. 그들은 이러한 유형의 첫 번째 테스트를 생쥐에게 수행했는데, 생쥐는 가혹한 환경 조건이 강제로 그렇게 하도록 강요할 때 자연적으로 혼수상태에 빠진다.
음식이 부족하지 않고 버튼을 눌러 이 상태를 유발하기 위해 연구자들은 특별히 개발된 초음파 송신기를 동물의 머리에 묶었다. 마우스는 계속해서 자유롭게 움직일 수 있다. 이어 연구팀은 체온과 신진대사 조절에 관여하는 뇌 영역인 시상하부의 시각전 영역을 겨냥한 10초간 초음파 펄스를 방출했다.
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| ▲ 4개의 시점에서 초음파 송신기가 있는 테스트 마우스: 초음파 펄스 전과 3, 13, 70분 후. 상단 막대는 이 시간 동안 온도가 어떻게 변했는지 보여준다. © Yang et al./Nature Metabolism /CC-by 4.0 |
토퍼와 같은 상태로 인공적으로 복원됨
결과: 초음파 펄스는 쥐의 체온을 즉시 평균 섭씨 3~3.5도 낮췄다. 또한 심박수가 약 47% 감소했고 산소 소비량도 감소했다. 생쥐의 신진대사도 바뀌었다. 그는 이제 혼침의 주요 특징인 에너지를 위해 지방만 태웠다.
연구진에 따르면 이러한 특성의 조합은 초음파 자극이 마우스를 일시적으로 혼침과 같은 상태에 놓이게 함을 시사한다. 인위적으로 유도한 최대 절전모드는 약 1시간 동안 지속됐다. 뇌 활동의 분석은 초음파 자극이 시상 하부의 시신경 전 영역에 있는 뉴런 그룹으로부터 명확하게 인식할 수 있는 반응을 유도한다는 것을 보여주었다. 그들은 활동을 증가시켰다.
"초음파 영역의 경두개 자극은 초음파 유발 저체온증과 대사 저하를 유발하기에 충분했다"고 Yang은 말했다. "이것은 생쥐에서 혼침과 같은 상태를 조율하는 데 있어 이 영역의 중요한 역할을 확인시켜 준.“
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| ▲ 그림 1: 토퍼와 같은 저체온 및 저대사 상태를 유도하기 위한 초음파 장치. a, 초음파(US)로 유도된 torpor-like 상태의 삽화. b, 웨어러블 US 프로브의 그림(상단). 프로브는 마우스 머리에 붙은 바닥판에 연결되었다. 웨어러블 US 탐침이 있는 마우스 머리의 MRI는 초음파가 POA(삽입)를 비침습적으로 표적으로 삼았다는 것을 보여준다. 웨어러블 US 프로브가 부착된 상태에서 자유롭게 움직이는 마우스의 사진이 하단에 표시. c, 본 연구에 사용된 US 자극 파형의 예시. ISI, 자극 간 간격; PD, 맥박 지속 시간; PRF, 펄스 반복 주파수. d, 표면(상단) 및 내부(하단) US 프로브의 온도(T) 상승 보정. US 탐침이 POA 또는 피질을 표적으로 할 때 탐침 내부 온도는 압전 재료와 마우스 머리 사이에서 측정되었다. Cortex는 오프 타겟 컨트롤로 선택되었다. 미국 초음파 처리는 분홍색 막대로 표시. n = 6마리 마우스(상단) 및 n = 4마리 마우스(하단). 실선과 그림자는 평균 ± s.e.m을 나타낸다. (출처: Open Access Published: 25 May 2023 Induction of a torpor-like hypothermic and hypometabolic state in rodents by ultrasound / metabolosm) |
반복되는 맥박이 무기력을 연장함
인공 동면 기간과 깊이는 초음파 자극에 의해 구체적으로 제어될 수도 있다. 이를 위해 연구원들은 초음파 송신기를 자동화 시스템과 결합했다. 이것은 설치류의 체온이 다시 상승할 때를 감지할 수 있으며, 그런 다음 토퍼와 같은 상태를 유지하기 위해 또 다른 초음파 펄스를 트리거할 수 있다. 전반적으로 팀은 동물에게 눈에 띄는 손상이나 불편함을 주지 않고 쥐를 24시간 동안 휴면 모드로 유지했다.
Yang과 그의 동료들은 또한 뇌에서 무기력을 유발하는 분자를 식별할 수 있었다. 뉴런 활동 및 유전적 시퀀싱의 측정은 초음파가 시각전 영역의 신경 세포에서 소위 TRPM2 이온 채널을 활성화한다는 것을 밝혔다. 연구원들은 이러한 채널이 체온과 대사 활동을 낮추는 데 필수적이라고 가정한다그들이 이것을 정확히 어떻게 하는지는 아직 불분명하다.
인간에게도 토퍼(동면상태)가 가능할까?
"그러나 정당한 질문은 생쥐의 초음파 유발 저체온증과 대사 감소가 인간에게도 적용될 수 있는다"고 Yang과 그의 팀은 말했다. 생쥐와 달리 우리는 자연스럽게 혼침이나 동면에 빠지지 않기 때문이다. 이 질문에 답하기 위해 연구자들은 혼침을 모르는 쥐를 대상으로 동일한 실험을 반복했다.
그 결과 쥐의 심부 체온도 초음파 자극 후 1~2도 떨어졌다. "체온 감소 정도는 생쥐보다 쥐에서 적었지만, 이 데이터는 초음파로 유발된 저체온증과 대사 저하가 자연적인 무기력이 없는 동물에서도 가능하다는 것을 보여준다"고 과학자들은 기술했다. "이것은 유사한 효과가 인간에게도 유발될 수 있음을 나타낸다.“
의학 및 항공 우주 분야의 응용
Yang과 그의 팀에 따르면, 초음파 유도 저체온증과 대사 억제는 인간의 동면과 같은 상태를 안전하고 비침습적으로 달성하기 위해 오랫동안 추구해 온 길을 열 수 있다. "이 목표는 적어도 1960년대부터 추구해 왔다”라고 그들은 설명한다. 그러나 지금까지 특정 효과가 거의 없고 때로는 심각한 부작용이 있는 약리학적 접근이 주로 테스트되었다.
초음파를 사용하여 비침습적으로 토퍼를 트리거하면 수많은 새로운 가능성이 열릴 수 있다. 연구원들은 "토퍼와 같은 신체 활동은 생명을 위협하는 상태(예: 심장마비 또는 뇌졸중)에서 신진대사 및 질병 진행을 늦추어 환자의 생존율을 높일 수 있다"고 설명했다. Torp는 승무원의 에너지 소비를 줄이기 위해 화성과 같은 행성으로의 장기 우주 비행에도 사용될 수 있다. (Nature Metabolism, 2023; doi: 10.1038/s42255-023-00804-z)
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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