집속초음파(Focused Ultrasound) 기술은 두개골을 열지 않고도 뇌의 안쪽 깊숙한 곳까지 수 mm의 영역에 초음파 에너지를 집중시켜 손상 부위를 치료하는 비침습적 치료 방법이다. 주변 건강한 조직에 미치는 영향을 최소화하고 합병증, 감염 등의 부작용을 줄일 수 있어 우울증, 알츠하이머병 등 다양한 난치성 뇌 질환의 치료에 적용되고 있다. 하지만 환자마다 두개골의 모양이 달라서 발생하는 초음파의 왜곡을 실시간으로 반영하기 어려워 지금까지는 활용이 제한적이었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 바이오닉스연구센터 김형민 박사 연구팀은 생성형 AI를 기반으로 실시간 음향 시뮬레이션 기술을 개발해 집속초음파 치료 시 실시간으로 두개골에 의한 초음파 초점 위치의 왜곡을 예측 및 보정하는 데 성공했다고 밝혔다. 지금까지 비침습 집속초음파 치료 기술 분야에서 인공지능 시뮬레이션 모델의 임상 적용 가능성을 검증한 사례는 없었다. ▲김형민 박사 ▲박태영 학생연구원 눈에 보이지 않는 초음파 초점의 위치를 예측하기 위해 현재는 치료 전 촬영된 의료영상을 바탕으로 한 내비게이션 시스템이 활용되고 있으며, 이는 환자와 초음파 발생장치 사이의 상대적인 위치에 대한 정보를 제공한다. 그러나 두개골로 인한 초음파의 왜곡을 반영하지 못하는 한계가 있어 이를 보완하기 위해 다양한 시뮬레이션 기술이 사용되고 있지만 아직은 계산에 상당한 시간이 소요돼 실제 임상에 적용하기에 어려움이 있다. 연구팀은 의료 분야에서 이미지 생성에 널리 사용되는 딥러닝 모델인 생성적 적대 신경망(GAN) 기반의 인공지능 모델을 통해 실시간 집속초음파 시뮬레이션 기술을 개발했다. 이 기술은 초음파 음향 파동의 변화를 반영한 3차원 시뮬레이션 정보 업데이트 시간을 14초에서 0.1초로 낮추면서도 기존 시뮬레이션 기술의 오차범위인 평균 7% 이하의 최대 음압 오차와 6mm 이하의 초점 위치오차의 정확도를 보여 임상 적용의 가능성을 높였다. 연구팀은 또한 개발된 기술을 실제 의료현장에 빠르게 보급할 수 있도록 의료영상 기반 내비게이션 시스템을 개발해 성능을 검증했다. 이 시스템은 초음파 트랜스듀서(Transducer)의 위치에 따라 초당 5회 수준으로 실시간 시뮬레이션을 수행할 수 있으며, 이를 통해 집속초음파 치료 시에 두개골 내의 초음파 에너지와 초점의 위치를 실시간으로 예측하는 데 성공했다. 기존에는 긴 계산 시간으로 인하여 초음파 트랜스듀서를 미리 계획된 위치에 정확하게 위치시켜야만 시뮬레이션 결과 활용이 가능했다. 그러나 이번에 새롭게 개발된 시뮬레이션 가이드 내비게이션 시스템을 활용하면 실시간으로 얻어진 음향 시뮬레이션 결과를 바탕으로 초음파 초점을 조정하는 것이 가능해진다. 향후 집속초음파의 정확성을 높이고 치료 과정에서 발생할 수 있는 돌발상황에 신속하게 대응할 수 있어 환자에게 안전한 치료를 제공할 수 있을 것으로 기대된다. KIST 김형민 박사는 “본 연구를 통하여 집속초음파 뇌 질환 치료의 정확성과 안전성이 향상되었기 때문에 더 많은 임상 적용 사례가 나올 것”이라며 “실용화를 위해 다채널 트랜스듀서 적용 등 초음파 조사 환경을 다양화해 시스템을 검증할 계획”이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 국가과학기술연구회 창의형 융합연구사업(CAP-18014-000)로 수행됐다. 연구 결과는 뉴로이미징 분야 최상위 국제 학술지 ‘NeuroImage’ (JCR 분야 상위 3.6%)에 10월 14일 게재됐다. * Real-Time Acoustic Simulation Framework for tFUS: A Feasibility Study Using Navigation System ◆ [그림 ] 시뮬레이션 가이드 내비게이션 시스템 시뮬레이션 가이드 내비게이션 시스템은 트랜스듀서의 위치에 따라 3D-cGAN 모델 사용하여 실시간 음향 시뮬레이션을 5 Hz의 속도로 실행한다.

농사 일을 하는 71세 여성 김씨는 최근 일을 하거나 걸을 때 허리 통증을 자주 느꼈다. 걷다 보면 자꾸만 허리에 손이 가고, 걷던 도중에 허리를 뒤로 젖히는 자세를 취해야만 편하다는 생각이 들었다. 설거지를 할 때에도 똑바로 설 수 없어서 팔을 기대고 한 탓에 팔꿈치에도 굳은 살이 배겼다. 이후 가까운 병원을 찾아 협착증을 진단 받은 김씨는 도수 치료와 주사 치료를 시작 했지만, 별다른 효과가 없고 통증이 심해지자 다시 대학 병원을 찾았다. 김씨가 받은 진단은 다름 아닌 꼬부랑병 즉, 퇴행성 척추 후만증이였다. 대전을지대학교병원 정형외과 석상윤 교수의 도움말로 퇴행성 척추 후만증에 대하여 자세히 알아본다. ▲ 왜 꼬부랑병이라고 불릴까? “꼬부랑 할머니가 꼬부랑 고갯길을 꼬부랑 꼬부랑 넘어가고 있네.“ 언젠가 들어본 것 같은 이 동요의 가사는 알고보면 퇴행성 척추 후만증에 대한 노래처럼 들리기도 한다. 퇴행성 척추 후만증을 겪는 환자들은 허리의 근육 중 허리 폄근이 퇴행성 변화로 약해지고, 이 때문에 허리를 펴는 것이 힘들어지고, 걸을수록 허리가 점차 앞으로 굽어져서, ▲ 석 상윤 교수 걷는 것이 힘들어진다. 허리에 뒷짐을 지고 걸어야만 체중 부하가 뒤쪽으로 어느 정도 갈 수 있어서 편해지고, 대부분에서 허리 통증으로 일상생활에 지장을 느낀다. 이 꼬부랑 병은 좌식 생활을 하는 동양인, 농사일을 하는 지방 노인에게 많이 발생한다. ▲ 꼬부랑병? 허리만 안아프면 좋겠다. 퇴행성 척추 후만증 환자가 외래에 내원하면 가장 많이 하는 말이 허리만 안 아프면 살 것 같다는 말이다. 그러나 이 허리만 안 아프면 좋겠다는 게 말처럼 쉽지 않다. 퇴행성 척추 후만증 환자는 걷다 보면 허리의 기립 근육이 척추를 지탱하지 못하고, 허리가 앞으로 굽게 되는데, 허리가 굽은 상태로는 보행하기 힘들다. 전방 주시, 즉 앞을 보는 것이 어렵기 때문이다. 따라서 앞을 보기 위하여 우리 몸의 기립근 아래에 위치한 허리 근육은 굽은 허라를 최대한 펴서 앞을 볼 수 있게 해주기 위해서 많은 일을 하게 된다. 이 때문에 걷다 보면 하지 않아도 될 일을 하게 된 근육이 피로를 느끼게 되어 아래쪽 허리에 통증을 느끼는 것이다. 결국은 원인이 허리가 굽어서 아픈 것이기 때문에 허리를 펴거나, 허리 근육에 가는 부하를 줄이는 방법을 찾아야 허리가 아프지 않을 수 있다. ▲ 치료는 어떻게? 가장 근본적인 치료 방법은 퇴행성 척추 후만증 변형 교정술이 치료가 될 수 있다. 이 수술은 시행 후 환자가 허리 굽음 없이 똑바로 걷게 되고, 허리 통증이 없어진다는 장점이 있다. 허리 굽음을 펴기 위해서는 일반적으로 전방 추체간 유합술 이용한 교정술과 후방 교정술을 합하거나, 후방 척추 절골술과 후방 교정술을 합하는 방법의 수술을 시행하게 되는데, 후방 교정술을 위해서는 후방에서 많은 나사로 허리가 펴지도록 고정하게 된다. 환자들은 이 때문에 바닥에 앉거나 양말 신는데 어려움을 겪게 되기도 한다. 또한 일반적으로 수술의 범위가 크기 때문에 골다공증이 심하거나, 전신 컨디션이 안 좋은 환자의 경우 시행하기가 어렵다. 대전을지대학교병원 정형외과 석상윤 교수는 ”퇴행성 척추 후만증이 있는 환자의 경우, 수술을 필요시에 잘 시행한 경우 환자와 수술자가 모두 만족할 수 있지만, 굽어 있는 허리를 펴는 수술이기에 수술 후 원래 있던 자세로 돌아가려는 성질 때문에 결과가 좋지 않은 경우도 일부에서 관찰된다.“고 말한다. 따라서 수술적 치료가 반드시 필요한 환자가 아니라면 일반적으로, 보존적인 치료를 주로 시행하게 되는데, 가장 중요한 치료 방법은 전방의 허리의 굽음을 받쳐 줄 수 있는 지팡이나, 보행기를 사용하는 것이다. 이를 통해서 허리가 굽을 때 허리 근육으로 가는 부하를 줄여주어 통증을 줄일 수 있다. 또한, 척추 후만증이 더 진행되는 것을 막기 위하여 가능한 운동 치료를 시행하며, 척추 압박골절에 의해서도 후만증이 진행될 수 있기에, 이를 막기 위해서 필요한 골다골증을 치료하는 것도 치료의 중요한 흐름이다. 석상윤 교수는 ”척추의 치료는 100점은 없지만, 환자의 너무 힘든 증상을 호전 시켜주는 것이다.“라며 노인에게 발생하는 꼬부랑 병에는 좀 더 잘 맞는 표현이라고 생각한다고 덧붙였다. 아래 허리 통증이 있는 경우, 진행을 조기에 방지하고, 가장 좋은 치료 방법의 결정을 위하여 척추 전문의와 상의하여 이에 따라 적절한 치료를 시행하는 것을 권고한다.

물가가 계속 오르면서 점심 식사를 도시락으로 대체하는 직장인이 많아지고 있다. 바쁜 아침, 간단한 준비로 든든하고 영양 있게 도시락을 싸기 위해서는 어떤 점을 고려해야 할까? 가장 중요한 것은 영양소의 균형이다. 흔히 ‘단탄지’라 불리는 단백질, 탄수화물과 필수지방의 균형을 잘 맞추고 건강을 위한 식이섬유와 비타민 등도 빼놓지 말아야 한다. ▲전혜진 교수 ▲박현하 임상영양사 이대서울병원 가정의학과 전혜진 교수는 “영양소의 부족 혹은 불균형은 면역력 저하로 이어질 수 있다”며 “특히나 올 겨울은 코로나19와 독감과 같이 2개의 질환이 동시에 유행하는 트윈데믹의 위험이 매우 높고, 어린아이들을 중심으로 백일해와 마이코플라스마 폐렴 등이 크게 유행하고 있어 전 연령군에서 올바른 영양 섭취를 통한 면역력 저하의 예방이 중요하다”고 설명했다. 우리나라 영양 섭취의 가장 큰 특징은 탄수화물 섭취가 주를 이루는 것이다. 몸이 아프거나 피곤할 때 단백질 식품이 아닌 탄수화물 식품을 통해 에너지를 섭취해 문제다. 때문에 도시락을 쌀 때 가장 먼저 고려해야할 영양소는 단백질이다. 단백질은 주로 고기나 생선, 콩류, 계란, 두부를 통해 섭취할 수 있는데 이때에 햄과 소세지와 같은 가공육은 피해야한다. 고기와 생선을 준비하기 어려울 때는 냉동된 닭가슴살이나 참치캔, 어묵, 저염 건어물도 단백질 보충을 위한 반찬이 될 수 있다. 또 먹기가 쉽고 상대적으로 값이 저렴한 구운 달걀과 ‘한끼 두부’ 등을 적극 활용하는 것도 좋은 방법이다. 또 겨울철에는 일조량이 줄어 비타민D가 부족할 수 있고 신선한 야채 과일, 야채 섭취가 줄어들 가능성이 높다. 다양한 야채, 과일 등 비타민이 많은 식품을 적정량 섭취해주는 것이 좋다. 겨울철에는 혈관질환의 위험도가 올라가기 때문에 오메가3 지방산이 풍부한 등푸른 생선이나 견과류, 들기름 등의 식재료를 자주 이용하는 것도 중요하다. 나아가 전문가들은 도시락 구성에 있어 영양소 균형만큼 나트륨과 당류의 섭취도 고려해야 한다고 당부한다. 이대서울병원 영양팀 박현하 임상영양사는 “무조건 맛만 생각하며 도시락을 만들다 보면 소금과 설탕 등을 과하게 사용할 수 있어 주의가 필요하다”라며 “식품성분표 등을 확인하고, 요리를 할 때엔 소금과 설탕을 조절해 하루 나트륨 2~3g, 첨가당류 50g을 넘기지 않는 것이 중요하다. 단맛을 선호하는 경우 스테비아와 같은 대체 감미료를 설탕 대신 사용하는 것도 가능하나 과다 섭취 시 소화불량 등 부작용이 있어 주의해야 한다”고 조언했다. ◆ 점심값 절약 위한 도시락, 대충 싸면 안돼요

만성 피부질환인 건선은 면역체계에 이상이 생겨 나타나는 염증 질환으로, 한 번 발병하면 완치가 어렵고 특히 건조한 겨울철에는 더 악화되기 쉽다. 증상 완화를 위해 처방되는 경구용 면역 억제제는 장기간 사용 시 간독성 및 면역 저하 등의 부작용이 나타날 수 있고, 최근 승인되어 사용되고 있는 생물학적 제제는 사이토카인 중화 항체 약물로서 상대적으로 고가의 치료비와 주사기를 사용해 투여가 가능하다는 단점이 있다. 따라서 부작용이 적고 경구로 쉽게 투여할 수 있는 새로운 약물 개발이 필요한 실정이다. ▲ 김 용철 교수 ▲ 고 봉기 박사과정생 광주과학기술원(GIST, 총장 임기철)은 생명과학부 김용철 교수 연구팀이 새로운 건선 치료제의 실마리가 될 ‘CMKLR1* 길항제 (antagonist)’를 개발했다고 밝혔다. * CMKLR1(Chemokine-like receptor 1): 케모카인 유사 수용체 1. 면역계에서 세포 주화성을 담당하는 G 단백질 연결 수용체이다. 건선 환자들의 혈액 및 병변에는 ‘케머린’*이라는 신호전달물질이 높은 농도로 존재하는데 이 신호전달물질의 수용체가 바로 ‘CMKLR1’이다. 활성화된 ‘CMKLR1’은 피부 주위 혈관으로 수지상세포*를 모이게 하고 이들이 T세포와 각질형성세포를 자극해 건선 병증이 더욱 심해진다. * 케머린(Chemerin): 세포신호전달물질 중 하나로서 비만, 당뇨병등과 관련이 있다. 건선에서는 발병 초기 여러 면역세포들을 병변으로 유도하여 건선 증상을 일으킨다. * 수지상세포(Dendritic cell): 면역계를 구성하고 있는 세포 중 하나로서 다른 면역 관련 세포를 활성화하는 역할을 한다. 연구팀은 이 CMKLR1의 활성을 저해함으로써 건선을 치료할 수 있는 약물 개발을 제안했다. 페닐인다졸 코어 스켈레톤*을 기반으로 최적화된 화합물의 설계 및 합성을 통해 CMKLR1의 활성도를 낮추는 길항제를 개발하는 데 성공했다. * 페닐인다졸 코어 스켈레톤(Phenylindazole core skeleton): 합성의 기준이 되는 구조로 이를 이용해 다양한 잔기가 도입된 유도체를 합성한다. 이 길항제는 36 나노몰 수준의 매우 낮은 농도에서도 CMKLR1의 활성을 강력하게 억제하였고, 경구 투여로 높은 생체 내 흡수율이 확인되어 경구제제로 개발할 수 있다는 장점이 있다. 연구팀은 해당 약물을 건선 동물 모델(IMQ-유도 건선 마우스)에 경구로 투여하였을 때 건선 병변의 각질, 홍반, 두께가 모두 완화되는 것을 확인하였다. 완화 효과는 건선 평가 지표인 PASI 점수*가 대조군 대비 30% 이상 유의미하게 낮아지는 것으로도 확인되었다. * PASI 점수 (psoriasis area and severity index): 건선 병변의 붉어짐, 각질, 두께 등을 계산해 건선의 심각성을 평가하는 지표이다. 김용철 교수는 “이번 연구를 통해 현재까지 효과적인 경구용 치료제가 없는 건선 치료에 새로운 신약 개발의 패러다임으로, CMKLR1의 활성도를 낮추는 길항제를 치료 방법으로 제시했다”면서, “또한 본 연구팀은 분자 모델링 연구를 진행해 CMKLR1의 구조와 약물의 결합 모드를 처음으로 예측해 앞으로 CMKLR1 관련 연구에 큰 도움이 될 것으로 기대한다”고 밝혔다. 이번 연구는 김용철 교수와 한정현 박사가 주도하고 고봉기 박사과정생이 수행하였으며, GIST-LG생명과학 공동연구 과제와 GIST 연구원 과제의 지원을 받았다. 연구 성과는 의약화학 분야의 권위 있는 국제학술지인 ‘저널 오브 메디시널 케미스트리(Journal of Medicinal Chemistry)’에 10월 26일 온라인으로 게재됐다.