▲온열치료 전문가 강상만 칼럼니스트

이번 칼럼은 온열요법에서 핵심이라 할 수 있는 열 효과(Thermal Effects) 이외의 비열 효과(Non- thermal Effects)에 대해 알아보고자 한다. 온열 요법에서의 비열효과(Non-thermal effects)란, 열이 직접적으로 작용하지 않는 영향을 의미한다.

비열효과(非熱效果)는 열이 물질의 분자 운동을 증가시키는 것이 아니라 다른 메커니즘, 예컨대 생리적, 화학적 또는 물리적 요인에 의해 발생한다는 것으로, 전자기장(electromagnetic fields)으로 설명할 수 있다. 이는 주로 전자기장이 세포 혹은 조직에 미치는 영향으로 열 발생 없이도 생리적 변화를 일으킬 수 있다는 특징을 가졌다. 예컨대, 전자기장이 세포의 면역 반응을 조절하거나, 피부나 근육의 통증 완화, 혈액 순환 촉진, 근육 이완 등의 효과를 가져올 수 있다는 점이다. 이에 대한 자세한 내용은 지난 칼럼 23편과 24편인 전자기장(EMF)의 세포 생물학적/치료적 효과를 참조하시기 바란다.

그렇다면, ‘고주파 온열 암 치료의 가온에 의한 열 스트레스로 종양 세포의 괴사 또는 사멸을 유도하는 목표 외에도 세포 치사율이나 추가적인 영향을 미칠 수 있을까?’

현재 시판 중인 정전용량 방식 또는 안테나 방식과 같은 모든 비침습적 국소-부위 심부 온열 암 치료는 전자기장을 적용하는 기술에 기반하고 있으며, 이를 이용한 많은 연구들이 고주파 온열 암 치료에서 전자기장에 의한 온열 요법의 유의미한 효과를 입증하고 있다. 일례로 교모 세포 종양이나 췌장암에 고주파 온열 암 치료를 시행하였을 때, 세포 사멸온도로 알려진 41~43℃의 온도에 도달하지 않았음에도 유익한 치료 결과를 보인 것은, 온도 외의 다른 효과가 있음을 어렵지 않게 추측할 수 있다. 이와 관련한 실험에서 얻은 예비 결과를 통하여 전자기장의 영향을 설명하고자 한다.

[사진 1] 실험에서 사용한 인큐베이터와 용량결합방식 온열암치료기 전극의 모습

이 실험은 독일 하이델베르크의 림바흐(Labor Limbach & Kollegen) 병리 실험연구소에서 보제기엔박사(Dr. F. Wosegien)의 지휘하에 설계된 실험으로, 실험 방법은 다음과 같다.

[사진 2] 세포배양을 위한 Tube 세포이식 및 세포생존력 측정을 위한 생체발광 ATP분석기

배양된 세포의 증식 및 세포 독성에 대한 정량적 평가를 위하여, 루시페라아제(Luciferase)를 기반으로 한 ATP(Adenosine triphosphate) 테스트를 실시하였다. 아데노신3인산(ATP)은 근육 수축, 신경 세포에서 흥분의 전도, 물질 합성 등 살아있는 세포에서 다양한 생명 활동을 수행하기 위해 에너지를 공급하는 유기 화합물이다.

ATP 농도가 높을수록 살아있는 세포의 수가 많다는 것을 의미한다. ATP 분석은 ATP의 검출을 기반으로 세포 생존력을 측정할 수 있는 절차이다. 박테리아를 포함한 모든 살아있는 세포는 ATP 분석으로 검출할 수 있으며 비색, 형광 및 생체 발광과 같은 여러 가지 검출 방법을 사용할 수 있다. 대부분의 연구자는 높은 감도, 간단하고 균일한 프로토콜, 빠른 결과 취득이라는 이점에 의해, 세포 생존력 측정에 생체발광 ATP 분석을 활용하고 있다.

ATP는 미국 북부에 서식하는 반딧불이(Photinus pyralis)에서 발견된 루시페라아제(luciferase)라는 효소를 이용하여 측정할 수 있는데, 루시페라아제(혹은 루시페레이스)는 ATP와 루시페린(luciferin)의 산화반응을 촉매하여 빛을 생성시킨다. 살아있는 세포가 많을수록 ATP 농도가 높고, ATP농도가 진할수록 더 강한 빛을 발현하므로, 이때의 빛의 양을 발광측정기(Luminometer)를 이용하여 세포 생존력(cell viability)을 측정하는 것이다.

[표 1] 실험조건에 따른 세포생존율 결과

[표1]의 실험 결과를 보면 인큐베이터에서 37℃ 온도에 노출된 대조 샘플의 ATP 양은 169.412RLU였으며, 100%의 세포 생존율을 보였다.

샘플I은 41°C의 별도 인큐베이터에 3일 이내에 각각 1시간씩 두 번 노출시켰는데 ATP 양은 144.700RLU를 보였으며, 대조 샘플에 비해 세포생존율은 85%로 나타났다.

샘플II는 41°C에서 3일 내에 각각 1시간씩 두 번 용량 결합 방식(정전용량 방식)의 온열 암 치료기에 노출시킨 결과 ATP 양은 51.205RLU를 보였으며, 대조 샘플 대비 세포 생존율은 30.2%로 나타났다. 이는 41°C의 별도 인큐베이터에 노출된 샘플I과 비교할 때 35.4%의 세포 생존율이다.

ATP 실험을 기반으로 각각의 세포주의 반응을 살펴보자. 그래프의 세로축에 [%]는 세포 생존율을, 가로축 Tage는 경과일을 의미한다.

[그래프 1]

[그래프 1]은 세가지 유형의 실험에 따른 직장암세포주(왼쪽), 평활근육종세포주(오른쪽)에 대한 세포 생존율을 그래프로 나타낸 것이다.

[그래프 2]

[그래프 2]는 세 가지 유형의 실험에 따른 췌장암 세포주 두 가지에 대한 세포 생존율을 그래프로 나타낸 것이다.

위 그래프는 교모세포종에 대한 실험으로, 37℃ 대조 샘플 대비 이마티닙(글리벡, 항암제) + 온열치료 병합 실험과 온열 치료 단독 실험 결과이다.

위 그래프는 종양세포가 아닌 정상세포인 섬유세포에 대한 세포생존율 그래프이다.

위에서 제시한 13.56MHz 고주파 온열 치료기를 이용한 세포 생존율 실험 결과를 통하여 알 수 있는 것은 전자기장 효과가 고열 온도 전달 측면보다, 세포 독성 측면에서 더욱 밀접한 관련이 있음을 시사한다. 이는 온열 요법의 평균온도가 최고 온도보다 상당히 낮았다는 점을 고려할 때 고주파 온열 암 치료의 비열 효과인 전자기장의 영향이 더 효과적이라 할 수 있다.

이 실험에서 세포 손상은 4일 후에 가시적으로 나타났으며 일부 세포는 7일 이상 경과된 뒤 나타났다. 특별히 주목할 만한 점은 정상세포인 섬유세포는 거의 손상되지 않았다는 것이다. 이는 13.56MHz 고주파 온열 암 치료의 작용 기전에서 제시한 바와 같이, 이 특별한 주파수 대역이 병든 세포에 반응하고 정상세포에는 반응하지 않는다는 점을 이 실험에서도 보여 준 셈이다. 이 실험에서 또 다른 중요한 점은 온열치료와 항암제의 병합 치료는 치료적 향상을 이루고 약물의 반응을 더욱 강화할 수 있음을 시사한다.

이번 칼럼에서 소개한 ATP를 이용한 종양 항암제 민감성 분석은 가장 잘 문서화되고 검증된 기술로 간주하고 있다는 것을 덧붙여 알린다.

References:

Abiko et. Al. Investigated prediction of anti-tumor effect of thermo-chemotherapy with in vitro thermo-chemo-sensitivity testings for non-small cell lung cancer (using 4 lines nude mouse model): International Journal of Hyperthermia, Vol 23. No3; p267-275, May 2007

Kurbacher. Chemosensitivity testing using microplate adenosine triphosphate-based luminescence measurements (Methods MolMed 2005; 110; p101-120)

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