Application value of multi-modal magnetic resonance imaging in the establishment of cerebral ischemia reperfusion model of cynomolgus monkey

뇌졸중은 뇌의 일부로 가는 혈류가 차단되어 세포가 산소를 공급받지 못해 죽게 되는 갑작스럽고 파괴적인 사건입니다. 환자를 치료하는 의사들에게 가장 중요한 목표는 그 혈류를 가능한 한 빨리 복구하는 것이지만, 이를 안전하게 수행하는 것은 복잡한 과제입니다. 너무 늦게 혹은 너무 공격적으로 혈류를 복구하면 때때로 새로운 손상을 유발할 수 있는데, 이를 재관류 손상(reperfusion injury)이라고 합니다. 이 섬세한 균형을 어떻게 조절해야 하는지 이해하기 위해, 과학자들은 혈전이 형성되고 다시 사라지는 동안 살아있는 뇌 내부에서 어떤 일이 일어나는지 관찰해야 합니다. 인간 대상 연구가 필수적이긴 하지만, 차단 직후에 발생하는 조직 건강의 정밀하고 순간적인 변화를 항상 보여줄 수는 없습니다. 여기서 동물 모델은 통제된 환경에서 치료법을 테스트하고 생물학적 과정을 관찰할 수 있는 중요한 방법을 제공합니다. 그러나 비인간 영장류를 사용할 때, 그들의 뇌는 쥐나 생쥐보다 인간과 구조적, 기능적으로 훨씬 더 가깝기 때문에 인간의 상태를 진정으로 모방하는 모델을 만드는 것은 어렵습니다.

최근 한 연구에서 연구진은 고급 의료 연구에 자주 사용되는 영장류 종인 게잡이 원숭이(cynomolgus monkeys)를 사용하여 이 질환에 대한 매우 정확한 모델을 구축하고자 했습니다. 수조우 쾰른 병원(Suzhou Kowloon Hospital)의 과학자들과 한 바이오테크 기업이 이끄는 연구팀은 인간 뇌졸중 환자가 응급 처치를 받는 경험을 모방하여, 뇌의 혈관이 막혔다가 다시 열리는 시나리오를 만들고자 했습니다. 이를 위해 그들은 디지털 혈관 조영술(digital subtraction angiography)이라는 기술을 사용했는데, 이는 혈관의 고해상도 실시간 지도와 같은 역할을 합니다. 이 안내에 따라 연구진은 아주 작은 카테터를 각 원숭이의 뇌로 조심스럽게 유도하여, 뇌의 넓은 영역에 혈액을 공급하는 주요 혈관인 중대뇌동맥에 직접 만든 작은 혈전을 주입했습니다. 이 방법은 혈관을 극도로 정밀하게 차단함으로써, 결과적으로 발생하는 손상이 모든 동물에서 일일이 일관되고 신뢰할 수 있도록 보장했습니다.

차단이 확립된 후, 연구진은 뇌의 반응을 관찰하기 위해 강력한 도구 세트를 활용했습니다. 그들은 방사선을 사용하지 않고도 뇌의 상세한 사진을 만들어내는 자기공명영상(MRI)이라는 유형의 의료 영상을 사용했습니다. 구체적으로, 그들은 혈관의 구조와 뇌 조직 자체의 건강을 모두 보기 위해 다양한 스캔 모드를 결합하여 사용했습니다. 확산 강조 영상(diffusion-weighted imaging)으로 알려진 한 모드는 세포 내 물의 움직임 변화에 매우 민감합니다. 뇌세포가 산소를 공급받지 못하면 세포가 부풀어 오르며, 이 부종은 물의 움직임을 제한하여 스캔 상에서 해당 부위가 밝게 빛나게 만듭니다. 자기공명혈관조영술(magnetic resonance angiography)이라 불리는 또 다른 모드는 연구팀이 혈관을 직접 볼 수 있게 하여, 차단이 여전히 존재하는지 아니면 혈관이 다시 열렸는지를 보여주었습니다.

이 연구에는 8마리의 원숭이가 참여했으며, 혈관 조영기 가이드 하에 모든 절차가 성공적으로 진행되었습니다. 차단이 생성된 후, 연구진은 인간 뇌졸중 환자에게 표준 치료법인 혈전 용해제(thrombolysis)를 투여하기 전까지 2시간 반을 기다렸습니다. 그 후 연구진은 차단 후 1시간, 약물 투여 후 4시간, 24시간 후, 그리고 초기 사건 발생 1주일 후에 뇌를 여러 번 스캔했습니다. 영상은 명확한 이야기를 들려주었습니다. 차단 직후 스캔에서는 뇌 조직의 작은 이상 징ario(distress) 구역이 나타났습니다. 그러나 약물이 투여된 후, 해당 구역은 처음 몇 시간 동안 오히려 더 커진 것처럼 보였는데, 이는 갑작스러운 혈류의 귀환에 대한 조직의 반응을 나타냅니다. 하지만 시간이 흐르면서 영상은 놀라운 회복을 보여주었습니다. 24시간 시점과 그 이후 일주일 동안, 스캔상의 밝고 고통받는 구역은 줄어들기 시작했고, 불과 몇 시간 전까지만 해도 보이지 않던 혈관들이 다시 나타나 혈류가 다시 흐르고 있음을 보여주었습니다.

이미지가 진실을 말하고 있는지 확인하기 위해, 연구진은 8일째에 원숭이들을 인도적으로 안락사시킨 후 최종 점검을 수행했습니다. 그들은 뇌를 제거하고 얇게 절편을 만든 뒤, 살아있는 조직은 붉게 변하고 죽은 조직은 창백하게 남는 붉은 염료로 염색했습니다. 결과는 영상과 완벽하게 일치했습니다. 뇌 조직 내의 창백하고 죽은 구역은 차단 직후 스캔에서 보였던 커다란 이상 구역보다 현저히 작았습니다. 이는 뇌 조직이 영구적으로 죽은 것이 아니라, 혈류가 복구되자 회복되었음을 확인시켜 주었습니다. 죽은 조직의 크기는 스캔에서 1주일 후에 나타난 구역의 크기와 일치했으며, 이는 영상 기술이 부상의 최종 결과를 정확하게 예측할 수 있음을 증명했습니다.

이 작업은 첨단 영상 가이드를 사용하여 원숭이에서 뇌졸중과 재관류의 신뢰할 수 있고 정밀한 모델을 만드는 것이 가능하다는 것을 입증합니다. 연구는 다양한 유형의 자기공명 스캔을 결합함으로써 과학자들이 뇌가 치유되는 과정을 실시간으로 관찰하고, 혈관이 언제 다시 열리는지, 그리고 조직이 어떻게 회복되는지를 정확히 볼 수 있다는 것을 보여주었습니다. 이러한 발견은 이 영상 도구들이 치료의 성공 여부와 뇌 손상의 정도를 매우 높은 정확도로 추적할 수 있을 만큼 강력하다는 것을 시사합니다. 비록 이 연구는 기존의 혈관 질환이 있는 동물이 아닌 건강한 원숭이를 사용했지만, 차단부터 회복까지의 전 과정을 시각화할 수 있는 능력은 향-후 연구를 위한 견고한 토대를 제공합니다. 이는 인간의 상태와 매우 유사한 환경에서 새로운 치료법을 테스트하고 뇌졸중 회복의 복잡한 생물학을 이해할 수 있는 방법을 제시하며, 잠재적으로 매년 이 질병의 영향을 받는 수백만 명의 사람들을 위한 더 나은 치료법으로 이어질 수 있습니다.