[베토퀴놀코리아] 성공적인 피부 치료를 위한 광선 치료(light therapy)의 이해② – 치료 원리
-베토퀴놀코리아 학술팀 박모란 수의사(Moran PARK, DVM)
최근 치료용 레이저에 대한 수의사들의 관심이 뜨겁습니다. 레이저는 파장에 따라 피부 치료, 관절이나 인대의 재활 치료, 통증 치료, 치과 치료 등에 널리 쓰일 수 있다는 장점이 있습니다. 하지만, 만만치 않은 장비 가격으로 인해 대형 병원을 제외하고는 선뜻 장비를 도입하기가 쉽지 않죠.
베토퀴놀은 이러한 수의사들의 고충을 해결해줄 새로운 피부전용 치료 장비 ‘파비아(PHOVIA)’를 출시했습니다.
저번 연재에서는 피부 치료에 사용되는 여러 장비에 대해 알아보고, 동물 피부 치료용으로 레이저와 LED 치료기의 적합성과 각각의 장단점에 대해 이야기해보았습니다(다시보기 : https://www.dailyvet.co.kr/news/industry/183946).
이번 연재에서는 ‘광선 치료의 원리’에 대해 알아보겠습니다.
빛-조직 상호작용은 크게 반사, 산란, 흡수, 투과 네 가지로 볼 수 있다. 빛은 반사, 산란, 흡수와 같은 조직과의 상호작용 후에 약화된 채로 투과되어 나간다.
(Keiser, G. (2022). Light-Tissue Interactions. In: Biophotonics. Graduate Texts in Physics. Springer, Singapore.)
빛은 조직과 만나 여러 상호작용을 합니다(그림 1). 그중 치료에 중요한 것은 산란과 흡수입니다.
산란을 통해 빛의 전파 경로와 스펙트럼이 변화하고, 빛 내 광자(photon)가 조직의 특정 분자에 흡수되면 전기 또는 진동 에너지로 변환됩니다. 에너지는 분자의 광여기(photoexcitation) 상태를 유발하고, 광여기는 열, 화학 반응 및 생물학적 과정을 통해 다양한 방식으로 조직과 세포에 영향을 미칩니다(그림 2).
빛에 의한 생물학적 반응은 빛의 고유한 특성(파장, 세기)과 조사 범위, 적용 시간과 빛을 적용하고자 하는 조직 구성 등에 따라 달라진다.
(Yun, S., Kwok, S. Light in diagnosis, therapy and surgery. Nat Biomed Eng 1, 0008 (2017))
광선 치료가 생소한 개념일 수 있지만 우리는 이미 치료, 진단, 수술 등의 다양한 목적으로 빛을 이용하고 있습니다. 예로 원적외선의 광열 효과(photothermal effects)를 이용해 조직의 온도를 높여 국소 혈액순환을 증가시켜 빠른 치료를 유도합니다.
같은 광열 효과지만 더 높은 온도를 유발하는 CO2 레이저는 조직을 기화시킬 수 있어 레이저 메스로 사용합니다. 다른 예로, 좁은 범위에 적용되는 매우 짧은 펄스의 빛은 국소적인 압력 상승으로 매우 강한 에너지 응력파(stress wave)를 생성하는 광기계적 효과(photomechanical effects)를 갖습니다. 이는 요로 결석과 같은 조직 내 특정 물질을 파괴시킬 수 있죠. 가장 최근에는 빛의 광유전학 효과(optogenetic effect)를 이용하여 이온 통로와 같은 특정 분자를 조작함으로써 신경 신호 전달 및 뇌 기능을 조절하기 위한 연구도 활발히 진행되고 있습니다.
동물의 피부 치료를 위해서는 광화학적, 광생물학적 효과(photochemical and photobiological effects)를 통한 광생체조절(photobiomodulation, PBM)을 주목적으로 빛을 사용합니다.
광생체조절이란 빛을 통해 생물학적 활성을 촉진하거나 억제하는 등의 생체 조절을 뜻합니다. 광생체조절은 1960년대 말 쥐에서 루비 레이저(파장: 694 nm)의 발모 효과(hair-growing effect)와 상처 치유 효과가 밝혀지면서 연구되기 시작한 아직까지는 역사가 짧고 생소한 개념입니다. 광생체조절과 광생체조절 치료(PBM therapy, PBMT)는 저출력 레이저 치료(low level laser therapy, LLLT), 콜드 레이저 치료(cold laser therapy), 레이저 생체자극(laser biostimulation) 등 다양한 이름으로 불리고 있습니다. 초기에는 레이저만을 사용하여 연구되었기 때문에 LLLT(저출력 레이저 치료)라는 단어만이 의학 국제 사전에 등록되어 널리 쓰였습니다만, 이는 사실 부적절한 용어입니다. ‘저출력’이라는 정도가 정확하게 규정되지 않았을 뿐만 아니라, 광생체조절은 레이저 이외에도 LED나 광범위 파장의 빛(가시광선, 근적외선)을 통해서도 가능하기 때문이죠. 그렇다면 광생체조절은 어떤 생화학적 메커니즘을 통해 치료 효과를 나타내는 것일까요?
세포 내에서 빛을 흡수할 수 있는 다양한 분자들을 발색단(chromophore)이라고 합니다. 발색단은 특정 파장의 빛에서 나온 광자의 에너지를 흡수하여 생물학적 수준의 광물리학적, 광화학적 반응을 일으키는 빛 수용체입니다. 가장 대표적인 예로 미토콘드리아 전자전달계(electron transport chain)의 사이토크롬 C 산화효소(cytochrome c oxidase, complex IV)가 있습니다. 특정 파장의 빛 에너지는 사이토크롬 C 산화효소에 흡수되어 효소의 산화환원 상태 변화를 촉진합니다. 이는 ATP 합성, 미토콘드리아 활성산소종(ROS), 산화질소(NO) 증가를 일으킵니다. ATP는 세포 에너지원으로서 피부 세포의 활성과 회복에 직접적인 도움을 줄 뿐만 아니라 cAMP와 같은 이차 전령(second messenger)을 통해 유전자 발현을 조절할 수 있습니다. 이는 결국 재생인자, 염증 매개인자, 사이토카인, 콜라겐 등과 같은 다양한 단백질의 합성을 조절하여 세포 활성에 유익한 영향을 줍니다.
적색광과 근적외선 에너지는 미토콘드리아 내 사이토크롬 C 산화효소에 흡수되어 ATP, ROS, NO 생성을 촉진함으로써 세포 활성과 유전자 발현을 조절할 수 있다. ATP는 조직 회복과 세포 교체를 위한 에너지원으로써 사용됨과 동시에 cAMP를 증가시켜 세포 활성을 증가시키고 유전자 발현을 조절한다. ROS의 증가는 항산화 반응을 일으키고 면역세포를 통해 미생물에 대한 면역력을 향상시킬 수 있으며 유전자 발현을 조절한다. NO는 혈관확장을 통해 국소 혈액순환을 증가시키고 항염증 반응을 촉진한다.
빛의 고유한 특성(파장, 세기 등)은 빛에 의한 생물학적 반응을 결정하는데, 이는 광생체조절 치료에도 마찬가지입니다. 적절한 광생체조절을 유도하기 위해서는 빛의 정확한 파장(광생물학 제1법칙, 1st law of photobiology)과 빛의 세기(광생물학 제2법칙, 2nd law of photobiology)가 매우 중요합니다.
먼저 파장이 정확하지 않으면 표적세포와 발색단 내로 흡수될 수 없으므로 표적의 생화학적 변화를 유도할 수 없습니다. 예를 들어 같은 적외선 파장이라고 하더라도 원적외선(far infrared, 25-1000 um)은 열을 발생시켜 혈관 확장, 혈액순환 증가를 유도할 뿐, 광생체조절은 전혀 일으킬 수 없습니다. 미토콘드리아 내 발색단에 흡수될 수 있는 파장이 아니기 때문이죠. 반면에 근적외선(near infrared, 750 nm-1 um)은 적색광과 함께 광생체조절 치료에 널리 사용되고 있습니다.
적색광과 근적외선 외에도 600-1100 nm 범위 내 다양한 파장의 빛은 광생체조절을 유도할 수 있습니다. 앞선 연재에서 살펴봤듯 파장은 피부 침투 깊이를 결정하는 매우 중요한 요소임과 동시에 광생체조절 기전에도 영향을 미칩니다. 조직 내 여러 발색단의 구조와 산화/환원과 같은 분자 상태는 흡수 파장을 결정합니다. 사이토크롬 C 산화효소, 이온 채널, flavoprotein, opsin과 같은 다양한 발색단들은 구조가 다르므로 흡수할 수 있는 파장이 다릅니다. 사이토크롬 C 산화효소의 산화 상태(oxidized form)는 330, 404-420, 680, 825 nm를 흡수하는 반면, 환원 상태(reduced form)는 blue-violet 대와 red-infrared(620, 760 nm) 대의 빛을 흡수할 수 있습니다. 즉, 사용하는 파장에 따라 피부 침투 깊이뿐만 아니라 자극되는 발색단 또한 결정되는 것이죠. 그러므로 광생체조절 치료를 위해서는 섬세한 파장 선택이 필요합니다.
A: 빛이 없으므로 활성 변화 없음, B: 매우 낮은 수준의 에너지 밀도를 가진 빛 또한 활성 변화를 일으키지 않음, D: 광생체조절에 최적화된 에너지 수준의 빛으로 활성이 최대로 증가, G: 특정 수준 이상의 빛은 오히려 활성을 억제함.
Arndt-Schulz Law는 다양한 농도의 약물 또는 독의 영향에 관한 법칙이지만 광생체조절도 이 법칙을 따른다. 너무 낮은 에너지 밀도의 빛은 세포활성을 충분히 유도할 수 없고, 너무 높은 에너지 밀도의 빛은 오히려 세포 활성을 억제한다. 따라서 효과적인 광생체조절 치료를 위해서는 적절한 빛을 적용하는 것이 필수적이다.
(Anastassakis, K. (2023). Low-Level Laser Therapy (LLLT) and AGA. In: Androgenetic Alopecia From A to Z. Springer, Cham. pp 597–624)
광생체조절 치료를 위한 적절한 수준의 에너지를 전달할 수 있는 빛의 세기(spectral irradiance, W/cm2)도 필수적입니다(그림 4).피부에 열 손상을 주지 않으면서 광생체조절을 최대한으로 일으킬 수 있는 출력(W)과 세기(mW/cm2)의 빛을 사용해야 합니다.
파장이 적절하더라도 빛의 세기가 너무 강하면 광자 에너지가 대상 조직에서 열로 변환되거나 유익한 반응을 억제하여 원하는 치료 효과를 얻을 수 없습니다. 반대로 출력이 너무 약한 빛은 오랜 시간 조사하여 용량(dose, J/cm2)을 채운다고 하더라도 치료 효과를 일으킬 수 없습니다. 일상생활에서 사용하는 백색 LED 전등이 가시광선 영역의 빛을 모두 방출하고 있지만, 치료 효과가 없는 것을 생각하면 쉽습니다. 이 밖에도 조직으로부터 빛의 반사와 원치 않는 물질로의 흡수를 최소화하는 것도 광생체조절 치료에 중요한 요소입니다.
이번 연재에서는 광생체조절의 작용기전, 그리고 광생체조절 치료에 중요한 요소에 대해 알아보았습니다. 광생체조절(PBM)이라는 개념은 수의사와 일반인 모두에게 매우 생소한 개념입니다. 하지만 이미 상용화되어 엄청난 판매 성과를 거둔 셀리*, 프라*과 같은 가정용 LED 마스크는 모두 광생체조절을 이용한 장비입니다. 다만 광생체조절이라는 용어가 조금 생소한 것뿐이죠.
이번 연재를 통해 여러분이 조금이나마 광생체조절(PBM)이라는 개념에 익숙해지셨기를 바랍니다. 다음 기고문에서는 파비아의 형광에너지 치료 기술과 실제 적용 케이스에 대해 알아보겠습니다.