Functional neuroimaging identifies a cross-species biomarker for treatment monitoring in Angelman syndrome

뇌를 수십억 개의 작은 전령들(뉴런)이 모든 것이 원활하게 돌아가도록 끊임없이 신호를 보내는 북적이는 도시라고 상상해 보세요. 때때로 이 도시의 전력망에 약간의 결함이 생기기도 합니다. 엔젤만 증후군(Angelman syndrome)이라는 상태에서는 뇌의 전력 관리를 위한 특정 '지침서'가 누락됩니다. 이로 인해 도시는 너무 시끄러워지고, 신호들이 혼란스러운 폭발과 함께 발사되어 심각한 발달 지연, 운동 문제, 그리고 언어 능력 결여를 일으킵니다. 오랫동안 의사들은 이 도시가 얼마나 '결함이 있는지' 측정할 수 있는 신뢰할 만한 방법을 찾으려 노력해 왔습니다. 특히 새로운 약이 문제를 해결하고 있는지 확인하기 위해서 말이죠. 도시의 웅성거림을 듣는 일반적인 방법은 EEG(뇌파 검사)인데, 이는 두피에 끈적한 전극을 붙여 전기 스파크를 포착하는 방식입니다. 하지만 엔젤만 증후군을 가진 많은 사람들에게는 그 전극들이 작동할 만큼 오랫동안 가만히 앉아 있는 것이 매우 어렵고, 전기적 노이즈는 나이가 들면서 변하기 때문에 경과를 추적하기가 어렵습니다. 과학자들은 더 부드럽고, 사용하기 쉬우며, 쥐나 인간에게 모두 동일하게 적용되는 방식으로 뇌의 활동을 '볼 수 있는' 새로운 방법이 필요했습니다.

여기서 연구진은 영리한 아이디어와 함께 등장했습니다. 전기를 듣는 대신, 혈류를 관찰하자는 것입니다. 생각해보면 뇌는 바쁜 레스토랑과 같습니다. 요리사(뉴런)들이 격렬하게 요리를 시작하면 더 많은 연료가 필요하고, 그래서 웨이터들이 주방으로 더 많은 혈액을 실어 나르는 것과 같습니다. 이 혈류의 급증을 측정함으로써, 과학자들은 뇌가 얼마나 열심히 일하고 있는지 알 수 있습니다. 이 연구에서 팀은 이 혈류를 관찰하기 위해 두 가지 다른 '카메라'를 사용했습니다. 먼저, 뇌 표면의 미세한 혈액 색상 변화를 볼 수 있는 특수 광학 카메라를 사용하여 엔젤만 증후군을 가진 생쥐를 관찰했습니다. 그런 다음, 이와 유사한 휴대용 카메라인 fNIRS(기능적 근적외선 분광법)를 사용하여 실제 엔젤만 증후군 환자를 대상으로 조사했습니다. 목표는 쥐와 인간에서 '혈류의 급증'이 동일하게 나타나는지, 그리고 쥐의 누락된 지침서를 복구했을 때 그 급증이 진정되는지를 확인하는 것이었습니다.

연구진은 엔젤만 증후군의 뇌 혈류가 마치 '높은 볼륨'에 고정된 화재 경보기와 같다는 것을 발견했습니다. 쥐와 사람 모두에서, 시각적 자극(예: 깜빡이는 패턴)을 보았을 때 그들의 뇌는 평소보다 훨씬 더 크고 혼란스러운 혈류의 파동을 보냈습니다. 그것은 단순히 조금 더 커진 것이 아니라, 대상이 어린 쥐든 성체 쥐든, 혹은 어린이든 성인이든 상관없이 일정하게 유지되는 뚜렷하고 증폭된 신호였습니다. 이 '초과 급증'하는 혈류는 매우 일관적이어서, 연구팀은 행동만을 관찰할 때보다 훨씬 더 높은 정확도로 건강한 뇌와 엔젤만 뇌를 구별해낼 수 있었습니다.

하지만 가장 흥격적인 부분은 문제를 해결하려고 시도했을 때 일어났습니다. 쥐의 경우, 과학자들은 누락된 지침서를 복구하기 위해 두 가지 다른 치료법을 사용했습니다. 한 가지 치료법은 누락된 부품을 전달하는 '유전자 배달 트럭' 같았고, 다른 하나는 뇌가 스스로 부품을 만드는 것을 방해하는 차단물을 제거하는 분자 '지우개'였습니다. 이렇게 했을 때, 쥐의 뇌에서 나타난 '초과 급증'하는 혈류는 단순히 조금 조용해진 것이 아니라 정상 수준으로 돌아갔습니다. 뇌의 지침서가 더 많이 복구될수록 혈류는 더 차분해졌고, 쥐의 움직임도 더 좋아졌습니다. 이는 이 혈류 신호가 단순한 무작위 증상이 아니라, 질병을 직접적으로 반영하며 치료가 얼마나 잘 작동하는지를 보여주는 민감한 척도임을 입증했습니다.

사람들에게 관심을 돌렸을 때, 연구팀은 어려운 과제에 직면했습니다. 엔젤만 증후군 환자들은 종종 많이 움직이는데, 이는 보통 뇌 스캔을 망가뜨리기 때문입니다. 그러나 팀은 데이터를 정화하는 특별한 방법을 개발했고, 그것은 효과가 있었습니다. 그들은 엔젤만 증후군 환자들이 쥐와 똑같은 '초과 급증' 패턴을 보인다는 것을 발견했습니다. 사람들이 서로 다른 연령대이고 서로 다른 유형의 질환을 가지고 있었음에도 불구하고, 증폭된 혈류는 안정적인 특징으로 남아 있었습니다. 이는 이 혈류 측정법이 신뢰할 수 있는 '교차 종(cross-species)' 바이오마커임을 시사합니다. 즉, 과학자들이 쥐에게 새로운 약을 테스트하여 혈류가 진정되는 것을 확인한다면, 그 약이 도움이 되는지 확인하기 위해 인간에게서도 동일한 측정을 사용할 수 있다는 확신을 가질 수 있다는 뜻입니다.

요약하자면, 이 논문은 뇌의 혈류를 관찰하는 것이 강력한 새로운 도구임을 시사합니다. 그것은 쥐와 인간 사이에서 동일한 언어를 사용하는 보편적인 번역기 역할을 합니다. 이는 엔젤만 증후군의 뇌가 측정 가능한 과흥분 상태에 있음을 보여주며, 더 중요한 것은, 치료법이 근본 원인을 성공적으로 해결하고 있는지 추적하는 데 이 방법이 사용될 수 있다는 점입니다. 비록 이 연구가 엔젤만 증후군을 완치했다고 주장하는 것은 아니지만, 미래의 치료법이 실제로 효과가 있는지 모니터링할 수 있는 매우 유망하고 비침습적인 방법을 제공하며, 결과적으로 효과적인 치료법을 향한 여정을 앞당길 수 있습니다.