뇌손상과 메틸렌 블루: 전임상 근거 이해하기

머리에 가해진 충격, 막힌 동맥, 서서히 진행되는 신경퇴행성 질환은 모두 같은 문제로 귀결될 수 있습니다. 뇌가 제 기능을 수행할 에너지를 더는 확보하지 못한다는 것입니다. 이처럼 공통된 최종 상태가 있기 때문에 세 분야의 문헌 모두에서 같은 화합물이 거듭 등장합니다. 하지만 최종 상태가 같다고 해서 검증하는 개념까지 같은 것은 아닙니다. 손상 전에 투여한 처치, 손상 후 한 시간 이내에 투여한 처치, 수개월 뒤 결과를 평가한 처치는 주사기에 같은 푸른 액체가 들어 있더라도 서로 다른 가설을 검증합니다.

이 글은 해당 문헌 중 손상에 관한 부분을 살펴봅니다. 동물실험에서 뇌손상에 대한 메틸렌 블루 연구가 무엇을 의미하는지 검토하고, 외상성 손상을 뇌졸중 및 만성 신경퇴행과 구분하며, 투여 시점이 연구 간 차이 대부분을 설명하는 이유를 보여 줍니다.

세 가지 손상, 하나의 에너지 장애

이 모델들을 연결하는 기전은 미토콘드리아 내부에 있습니다. 정상적으로 전자는 전자전달계를 따라 이동하면서 ATP를 생성하며, 정상적인 전자전달계는 활성산소종을 억제합니다. 손상 후에는 전자전달계 일부의 기능이 저하되고, ATP 생성량이 줄며, 자유 라디칼 생성이 증가합니다. 2018년 Molecular Neurobiology 종설은 메틸렌 블루를 대체 전자 운반체로 설명합니다. 메틸렌 블루는 NADH에서 전자를 받아 사이토크롬 c로 전달하며, 이는 복합체 IV의 활성을 높이고 전자전달계 초기 부분이 손상된 상황에서도 ATP 합성을 회복시킵니다.

보고된 수치는 구체적입니다. 세포 및 조직 절편 실험에서는 복합체 IV의 활성이 30~100퍼센트 증가했고 산소 소비량도 그에 맞춰 증가했습니다. 이는 추가 전자가 라디칼 형태로 누출되기보다 실제 기능에 사용되었음을 나타냅니다. 쥐 뇌졸중 모델에서는 처치 24시간 후 손상 부위의 ATP 생성량이 무처치 동물보다 약 30퍼센트 높았습니다. 2022년 Biochemistry (Moscow) 종설은 그에 뒤따르는 결과도 제시합니다. 산화 스트레스, 신경염증, 세포자멸사의 감소와 더불어 모노아민 산화효소, 산화질소 합성효소, 미토콘드리아 생합성, 자가포식, 잘못 접힌 단백질의 응집에 대한 영향입니다.

따라서 개념은 단순합니다. 손상은 정상적인 전자 이동 경로를 막고, 메틸렌 블루는 우회 경로를 제공합니다. 그다음부터는 어떤 손상인지, 언제 투여했는지, 어떻게 측정했는지의 문제입니다.

외상성 손상은 뇌졸중과 다릅니다

외상성 뇌손상 모델에서는 힘이 한꺼번에 가해집니다. 일차 손상은 기계적입니다. 조직이 찢어지고, 혈관이 파열되며, 수분 이내에 혈액뇌장벽이 열립니다. 메틸렌 블루가 영향을 줄 가능성이 있는 부분은 이후 수시간에서 수일에 걸쳐 이어지는 이차 손상입니다. 살아남은 조직의 미토콘드리아 기능이 저하되고, 염증이 퍼지며, 부종이 쌓이는 과정입니다. 이런 연구의 평가 지표는 그 순서를 반영합니다. 병변 부피, 뇌 수분 함량, 충격 부위 인근의 신경세포 생존, 그리고 운동 기능 회복이나 미로 학습 같은 이후의 행동입니다.

뇌졸중 또는 전뇌 허혈 모델에서는 손상의 양상이 정반대입니다. 혈류가 중단되고, 수분 이내에 에너지 장애가 발생하며, 혈류가 회복되면 재관류 손상이 뒤따릅니다. 여기서는 투여 시점을 혈관 사건에 맞추며, 흔히 폐색 또는 재관류 후 수분 이내에 투여합니다. 평가 지표는 수시간에서 하루나 이틀 동안 조직이 겪는 급성 변화를 정량화합니다. 경색 크기, 혈류, 초기 기능 회복이 그 예입니다. 뇌졸중 문헌에서 나타나는 한 가지 유형은 혈관 폐색 전에 동물에 투여하는 사전 처치입니다. 이는 사람의 두부 외상 실험에서는 윤리적으로 재현할 수 없는 방식으로 예방을 검증합니다.

뇌졸중 연구 결과는 손상 문헌에서 가장 강한 근거를 제공하며, 동시에 효과가 없었던 결과도 가장 명확하게 보여 줍니다. 중대뇌동맥을 한 시간 동안 폐색한 뒤 재관류 시점에 메틸렌 블루를 투여한 쥐에서는 2일째 경색 크기가 30퍼센트 더 작았고, 손상 위험에 놓인 중심부와 반음영 영역 중 더 많은 부분이 보존되었습니다(Shen, 2013). 영구 폐색 연구에서는 위험에 놓인 조직이 경색으로 진행하는 속도가 느려졌지만, 시험한 두 용량 모두에서 최종 24시간 경색 부피는 줄지 않았습니다(Rodriguez, 2014). 세 번째 폐색 연구에서는 중간 용량에서 경색 크기가 대략 절반으로 줄었고, 허혈성 뇌에서 미토콘드리아 미세구조와 미토파지를 직접 확인했습니다. 동시에 괴사는 감소했지만 측정된 세포자멸사는 증가했다는 직관에 반하는 세부 결과도 보고했습니다(Di, 2015). 전뇌 허혈에서는 저용량 지속 주입이 취약한 해마 CA1 영역의 사이토크롬 c 산화효소 활성, ATP 수준, 미토콘드리아 막전위를 회복시키고, 해당 신경세포를 보존하며 공간 기억을 보호했습니다(Lu, 2016). 이 CA1 측정은 주목할 만합니다. 손상된 뇌 내부에서 직접 얻은 ATP 및 호흡사슬 데이터이기 때문입니다. TBI 문헌에서는 대부분 이를 측정하기보다 추론합니다.

만성 신경퇴행은 이 둘과 모두 다릅니다. 알츠하이머병, 파킨슨병, 헌팅턴병 모델에서는 수주 또는 수개월 동안 동물에 투여하고 단백질 응집, 도파민 처리, 점진적인 인지 저하를 측정합니다. 이런 평가 지표는 충격 후 수일째 측정한 병변과 거의 공통점이 없습니다. 한 범주의 결과를 다른 범주에 적용하는 독자는 실험이 한 번도 넘지 않은 경계를 넘어 연구 결과를 옮기는 셈입니다. 신경퇴행 문헌에 관한 저희 가이드는 이런 장기간 연구를 별도의 틀에서 다루며, 뇌졸중에 한정된 근거와의 비교에서는 혈관 폐색 실험 설계와 충격 실험 설계를 자세히 구분합니다.

TBI 모델이 실제로 수행한 실험

외상성 뇌손상에서 메틸렌 블루를 시험한 사람 대상 임상시험은 발표된 바 없습니다. TBI 연구 기록 전체는 동물실험이며, 주로 쥐와 생쥐를 사용합니다. 또한 소수의 실험에 집중되어 있습니다. 요약에서는 사라지기 쉬운 세부 차이가 있기 때문에 이 실험들은 개별적으로 짚어볼 가치가 있습니다.

초기의 통제 피질 충격 연구에서는 가벼운 충격 후 한 시간째에 쥐에게 1 mg/kg을 정맥 투여하고, 세 시간째에 0.5 mg/kg을 투여했습니다(Watts, 2014). 2주간의 추적 관찰 동안 처치 동물의 MRI 병변 부피는 계속 더 작았습니다. 보행 검사에서 발을 헛디딘 횟수는 1일, 2일, 7일째에 유의하게 감소했지만 14일째에는 그렇지 않았습니다. 14일째 현미경 관찰에서 손상된 피질의 퇴행성 신경세포 수는 시야당 270개 대 368개였고, 비정상 니슬 염색 수는 41개 대 73개였습니다. 다시 말해 초기 보호가 관찰되었지만, 행동상 이점은 두 번째 주에 약해졌습니다.

미만성 손상 실험에서는 생쥐에 정중선 유체 타격을 가하고, 30분 이내에 2 mg/kg을 한 차례 정맥 투여했습니다(Fenn, 2015). 처치 동물에서는 염증성 유전자 발현이 완화되었고, 염증성 미세아교세포 수와 관찰되는 부종이 줄었으며, 7일째에는 우울 유사 행동이 나타나지 않았습니다. 효과가 없었던 결과도 그만큼 중요합니다. 손상 자체로 인한 뇌 수분 증가는 크지 않았고, 메틸렌 블루는 체중 감소나 운동 협응 결손을 개선하지 못했습니다. 항염증 작용이 있다는 것과 완전한 보호가 이루어진다는 것은 다릅니다.

두 생쥐 연구에서는 한 시간째 1 mg/kg, 여섯 시간째 0.5 mg/kg을 투여한 뒤 3일간 매일 투여하는 동일한 일정을 사용했으며, 기전에 관한 이해를 넓혔습니다. 피질 충격 모델에서는 처치가 24시간, 72시간, 14일째 병변 부피를 줄이는 동시에 신경세포를 보존하고 자가포식 표지자를 증가시켰습니다(Zhao, 2016). 유체 타격 모델에서는 신경세포의 세포자멸사를 줄이고, 누출되는 혈액뇌장벽의 기능을 강화하며, 2주에 걸쳐 신경학적 점수를 개선했습니다(Shen, 2019). 하지만 Zhao 연구에서는 72시간째 뇌 수분 함량에 차이가 없었고, Shen 연구에서는 1일째와 3일째 로타로드 수행에 차이가 없었습니다. 병변과 세포 생존 지표는 달라졌지만, 부종과 초기 운동 기능 지표가 언제나 함께 개선된 것은 아닙니다.

투여 시점에서 두드러지는 연구는 지연 투여 실험입니다(Watts, 2016). 같은 충격 모델을 사용하면서 첫 투여를 손상 후 24시간까지 미뤘습니다. 2일째에는 지연 투여군에서도 초기 수시간 이내에 처치한 동물과 비슷한 병변 감소가 나타났고, 이 감소는 7일째와 14일째에도 유지되었습니다. 행동 지표의 신호는 더 약했습니다. 지연 투여군의 발 헛디딤 개선은 통계적으로 유의하지 않은 경향에 그쳤습니다. 하나의 연구실, 하나의 모델, 하나의 24시간 투여 시점입니다. 이는 개입 가능한 시간 범위가 초기 수시간을 넘어선다는 실제 근거이지만, 동시에 그 명제를 뒷받침하는 근거의 전부이기도 합니다. 다른 문헌에서 쓰이는 ‘지연’이라는 단어의 함정에도 주의해야 합니다. 지연된 신경보호를 제목에 내세운 러시아의 일련의 연구는 30분째에 투여했으며, ‘지연’을 늦은 투여 시작이 아니라 오래 지속되는 결과라는 뜻으로 사용했습니다.

쥐를 이용한 소규모 국소 손상 연구는 반대 방향에서 투여 시점의 그림을 완성합니다. 손상 직전 투여와 손상 30분 후 투여 모두 사지 기능장애를 줄였습니다(Stelmashook, 2019). 실험실에서 사전 처치가 가능한 것은 바로 실험실이 손상 시점을 정하기 때문입니다.

여기서는 용량을 엄밀하게 구분하는 것이 중요합니다. 종설들은 저용량은 미토콘드리아 호흡을 촉진하고 고용량은 억제한다고 설명합니다. 이는 메틸렌 블루의 약리학 전반에서 관찰되는 것과 같은 이상성 양상입니다. 따라서 결과를 ‘푸른 물질이 많을수록 회복도 더 크다’고 읽어서는 안 됩니다. 각 연구는 곡선 위의 한 지점을 검증합니다. 용량 반응 해설에서는 여러 모델에 걸쳐 이 곡선을 살펴보며, 안전성 및 부작용 개요에서는 고용량에서 대신 어떤 일이 일어나는지 다룹니다.

표를 가로질러 읽어 보면 같은 화합물에 세 가지 서로 다른 시간축이 적용됨을 알 수 있습니다. 예방은 가운데 행에, 즉각적인 처치는 첫 두 행에, 뒤늦게 평가하는 결과는 첫 번째와 세 번째 행에 해당합니다.

예방, 즉각적인 처치, 뒤늦게 평가하는 결과

예방은 가장 오해하기 쉬운 주장입니다. 허혈 모델에서는 혈관 폐색 전에 투여한 동물의 결과가 더 양호하며, 이 결과는 때때로 메틸렌 블루가 어떤 뇌든 앞으로 발생할 어떤 손상으로부터든 보호하는 것처럼 인용됩니다. 이 결과는 그런 사실을 보여 주지 않습니다. 대체 전자 경로를 미리 갖춘 미토콘드리아가 예정된 혈류 중단을 더 잘 견딘다는 것을 보여 줄 뿐입니다. 아무도 머리 손상을 예정해 두지 않습니다.

TBI 근거는 즉각적인 처치에 집중되어 있습니다. 충격 후 수시간 이내의 투여는 아직 진행 중인 이차 손상 연쇄 과정, 즉 에너지 장애, 산화 스트레스, 염증, 부종을 대상으로 합니다. 여기서 개선되는 병변과 부종 지표는 실제 처치 효과이지만, 이는 진행 중인 과정에 대한 처치이지 찢어진 조직을 원래대로 되돌리는 것은 아닙니다.

세 번째 개념은 뒤늦게 평가하는 결과입니다. 손상 수주 후 측정한 행동이나 퇴행 모델을 시작한 지 수개월 뒤 측정한 단백질 처리는 초기 보호가 지속되었는지, 또는 느리게 진행되는 과정의 경로가 달라졌는지를 답합니다. 24시간째 더 작은 병변, 24시간 지연 투여 후 통계적으로 유의하지 않은 행동 개선 경향, 장기 투여 수개월 뒤의 미로 수행 개선은 서로 다른 세 가지 주장이고, 각각 요구되는 입증 수준도 다릅니다. 현재 그 기준을 한 번 넘게 충족한 것은 첫 번째뿐입니다.

이 근거가 보여 줄 수 없는 것

위의 모든 결과에는 같은 한계가 있습니다. 설치류 미토콘드리아가 메틸렌 블루에 반응하는 방식은 사람의 미토콘드리아에도 공통될 수 있지만, 강도를 조절한 충격 후 수분 이내에 정맥 투여를 받은 쥐는 낙상 수시간 뒤 응급실에 도착한 사람과 다릅니다. 마취, 통제된 손상 중증도, 젊고 건강한 동물, 짧은 추적 관찰 기간은 모두 사람에게 적용할 수 있는 범위를 좁힙니다. 메틸렌 블루에 관한 폭발 손상 연구는 전혀 없으므로, 군 관련 독자에게 가장 중요한 손상 유형이 근거는 가장 부족한 유형입니다.

동물 용량을 사람 용량으로 환산할 근거도 제시되지 않습니다. 동물 문헌에서는 실험적 통제를 위해 정한 용량을 정맥 또는 복강 내로 투여하며, 소매로 판매되는 경구용 점적 제제를 사용하지 않습니다. 이 연구들 중 어느 것도 사람의 투여 요법을 정해 주지 않으며, 여기서 메틸렌 블루를 표준 두부 손상 치료와 함께 시험한 연구도 없습니다.

따라서 정직한 요약은 한 문단으로 충분합니다. 설치류에서는 외상성 또는 허혈성 뇌손상 발생 전후에 투여한 메틸렌 블루가 미토콘드리아의 에너지 생성량을 보존하며, 그 보존에 이어 더 작은 병변과 더 양호한 회복 점수가 나타납니다. 한 충격 연구에서는 첫 투여를 24시간 늦췄을 때에도 병변 감소 효과의 일부가 유지되었습니다. 이런 현상이 손상된 사람의 뇌에서도 일어나는지는 검증되지 않았으며, TBI 문헌과 뇌졸중 문헌은 서로 다른 시점과 서로 다른 평가 지표를 검증합니다. 이 근거 위에 확실성을 얹어 판매하는 사람은 실험에 들어 있지 않았던 성분을 더하는 셈입니다.