Evaluation of glucoCEST MRI for assessing cerebral glucose hypometabolism in patients with Alzheimer’s disease

알츠하이머병은 기억력, 언어 능력, 그리고 일상생활을 영위하는 능력을 저하시키며 서서히 정신을 침식시키는 질환입니다. 이 질환의 특징 중 하나는 심각한 증상이 나타나기 훨씬 전부터 뇌가 포도당을 효율적으로 사용하지 못한다는 점입니다. 포도당은 뇌세포의 주요 연료이며, 특정 영역에서 이 연료 소비가 감소하는 것은 뇌가 어려움을 겪고 있다는 신호입니다. 현재 이 연료 사용량의 감소를 확인할 수 있는 가장 신뢰할 수 있는 방법은 PET 스캔이라고 불리는 검사입니다. 이 검사는 혈류에 아주 적은 양의 방사성 당을 주입하는 과정을 포함합니다. 뇌세포가 이 방사성 당을 흡수함에 따라, 카메라는 방사선을 감지하여 뇌의 어느 부분이 활성화되어 있고 어느 부분이 굶주리고 있는지 보여주는 지도를 만듭니다. 이 방식은 효과적이긴 하지만 상당한 단점이 있습니다. 기계가 비싸고, 방사성 물질을 항상 구할 수 없으며, 방사선 노출 때문에 검사를 자주 반복할 수 없어 환자를 장기간 모니터링하는 데 한계가 있습니다.

과학자들은 표준 자기공명영상(MRI)을 사용하여 이와 동일한 포도당 활동을 관찰할 수 있는 방법을 오랫동안 희망해 왔습니다. PET 스캔과 달리 MRI는 방사선을 사용하지 않으며 병원에서 널리 사용 가능합니다. glucoCEST라고 불리는 새로운 기술은 환자가 설탕 용액을 마시게 한 뒤, MRI 기기를 사용하여 그 설탕이 뇌로 이동하는 것을 감지하는 방식입니다. 아이디어는 만약 뇌가 설탕을 제대로 사용하지 못한다면, MRI 신호가 변하여 문제를 드러낼 것이라는 것입니다. 이 접근법이 성공한다면 알츠하이머병을 진단하고 추적할 수 있는 안전하고 반복 가능하며 저렴한 방법을 제공하는 획기적인 돌파구가 될 것입니다. 그러나 이 아이디어를 작동 가능한 현실로 만드는 것은 매우 어려웠는데, 뇌 속의 설탕 신호가 매우 미약하여 스캔의 노이즈 속에 쉽게 묻혀버리기 때문입니다.

최근 한 연구에서 연구진은 이 MRI 방식이 실제로 알츠하이머병 환자들에게서 보이는 낮은 포도당 수치를 감지할 수 있는지 테스트했습니다. 연구진은 확진을 받은 알츠하이머 환자 18명과 배경이 유사한 연령대의 건강한 대조군 18명을 모집했습니다. 모든 참가자는 대부분의 병원에서 볼 수 있는 고출력 스캐너인 표준 3테슬라 MRI 기기로 일련의 스캔을 받았습니다. 과정은 먼저 뇌의 자연스러운 상태를 측정하는 기초 스캔으로 시작되었습니다. 그 후, 참가자들은 D-포도당(포도당의 한 형태) 75g이 포함된 용액을 마셨습니다. 음료를 마신 후, 연구진은 MRI가 설탕이 뇌로 들어가는 것을 감지할 수 있는지 확인하기 위해 두 번째 스캔 세트를 수행했습니다. 결과를 검증하기 위해 알츠하이머 환자들은 표준적인 방사성 PET 스캔도 함께 받았으며, 이는 비교를 위한 골드 스탠다드(표준) 역할을 했습니다.

결과는 명확했으며, 이 기술이 PET 스캔을 즉각 대체하기를 바랐던 이들에게는 다소 실망스러웠습니다. 연구진은 실험실의 설탕 용액 테스트에서는 최적화되었음에도 불구하고, 이 MRI 기술이 알츠하이머 환자의 뇌와 건강한 대조군의 뇌 사이에서 유의미한 차이를 보여주는 데 실패했다는 것을 발견했습니다. 뇌의 앞부분, 옆부분, 혹은 뒷부분을 보더라도 MRI 신호는 두 집단 모두 본질적으로 동일하게 유지되었습니다. 더욱이, 스캔은 참가자들이 설탕을 마신 후 신호의 측정 가능한 변화를 보여주지 못했으며, 이는 기계가 뇌 조직으로 들어가는 포도당의 움직임을 명확하게 추적할 수 없었음을 의미합니다. 이러한 변화의 부재는 현재의 방식이 질병을 정의하는 미세한 대사 차이를 포착할 만큼 민감하지 않음을 시사합니다.

반면, 동일한 환자들에게 수행된 PET 스캔은 다른 이야기를 들려주었습니다. 이 영상들은 알츠하이머 환자들이 뇌의 두정엽 및 측두엽 영역에서 전두엽 영역에 비해 포도당 섭취가 현저히 낮다는 것을 명확히 보여주었습니다. 이러한 특정 영역에서의 연료 사용 감소 패턴은 의사들이 알츠하이머병에서 기대하는 바로 그 모습입니다. 또한 PET 결과는 환자의 인지 수행 능력과 직접적으로 연결되었습니다. 특정 뇌 영역에서 포도당 활동이 낮은 환자일수록 인지 검사 점수가 더 낮았습니다. 이는 PET 스캔이 질병의 생물학적 실체를 성공적으로 감지하고 있음을 확인시켜 주었습니다. 반면 MRI 스캔은 이를 완전히 놓치고 있었습니다.

연구진이 두 종류의 영상을 나란히 놓고 비교했을 때, 두 영상 사이에는 아무런 일치점이 없음을 발견했습니다. MRI에서 건강해 보였던 영역이 반드시 PET 스면에서도 건강해 보이는 것은 아니었습니다. 이러한 연결성의 결여는 현재의 MRI 신호가 PET 스캔이 측정하는 것과 동일한 대사 과정을 반영하지 못하고 있음을 나타냅니다. 연구진은 또한 머신 러닝이라 불리는 고급 컴퓨터 알고리즘이 인간의 눈이 놓칠 수 있는 MRI 데이터 속의 숨겨진 패턴을 찾아낼 수 있는지 탐구했습니다. 컴퓨터 모델은 환자와 건강한 사람을 중간 정도의 정확도로 구별할 수 있었지만, 분석 범위를 질병이 주로 발생하는 회백질로 제한했을 때 성능이 크게 떨어졌습니다. 이는 컴퓨터가 연구진이 측정하려 했던 특정 포도당 대사보다는 뇌 전체의 다른 특징들을 포착했을 가능성이 높음을 시사합니다.

저자는 설탕 음료와 MRI를 사용하여 알츠하이머를 진단한다는 개념은 매력적이지만, 현재의 기술은 아직 임상에 사용할 준비가 되지 않았다고 결론지었습니다. 이 연구는 포도당의 신호가 표준 병원용 스캐너의 배경 노이즈 속에서 신뢰할 수 있게 감지되기에는 너무 약하다는 점을 시사합니다. 여러 요인이 이러한 결과에 기여했을 가능성이 있는데, 여기에는 스캔 중에 환자를 완벽하게 움직이지 않게 유지하는 것의 어려움, 사람들이 설탕을 흡수하는 방식의 자연스러운 차이, 그리고 알츠하이머 환자의 뇌 조직이 종종 위축되어 더 명확한 판독을 어렵게 만든다는 점 등이 포함됩니다. 연구진은 암 영상 분야와 같은 다른 분야의 이전 연구들에서 경구 섭취 대신 정맥 주사를 통해 포도당을 투여하여 더 강한 신호를 제공했다는 점을 언급했습니다. 또한, 7테슬라급의 더 강력한 스캐너를 사용한다면 이 기술이 결국 실행 가능해질 수도 있다고 제안했습니다. 그러나 현재로서는, 이 연구가 구강 glucoCEST MRI가 알츠하이머병의 포도당 대사를 평가하기 위해 방사성 PET 스캔을 대체할 수는 없음을 보여줍니다.