바이오인

청색광이 안구에 미치는 영향에 관한 연구 동향

◈ 목차

1. 서문

2. 청색광과 안구 투과율

  2.1. 청색광

  2.2. 청색광의 안구 투과율

3. 청색광에 의한 손상 메커니즘

  3.1. 각막

  3.2. 수정체

  3.3. 망막

4. 눈의 항산화 시스템

5. 청색광에 대한 예방 및 치료

  5.1. 항산화제

  5.2. 항 VEGF

  5.3. 항염증제

  5.4. 유전자치료제

  5.5 청색광 필터 인공수정체 삽입

6. 결론

요약문

청색광은 가시광선 중 가장 짧은 파장으로, 높은 에너지를 가지고 있어 눈에 손상을 유발할 수 있다. 현대의 많은 전자기기, 조명등에 활용되고 있으며, 흔하게 사용하는 LED 는 기존의 백열등 과 같은 광원에 비해 더 많은 청색광을 포함하고 있다. 현재까지 알려진 청색광의 손상 메커니즘 은 활성산소의 발생을 통한 산화스트레스 유발이며, 꾸준히 지속되면 염증, 세포 사멸을 유발하여 심각한 경우 시력상실에 이를 수 있다. 눈은 자연적인 항산화 방어기제를 가지고 있어서 어느 정 도 손상을 억제할 수 있지만, 미세먼지, 인공적 광원 노출 시간의 증가, 대사질환 등의 여러 요인 에 의해 약해질 수 있으며, 이때 청색광의 유해도는 크게 증가한다. 청색광에 의한 손상 과정에 대해 연구 결과가 쌓이는 만큼 이를 예방하고 치료하는 방법에 대한 연구들도 크게 진척되고 있 다. 사회적으로도 청색광을 줄이려는 인식과 노력이 이루어지고 있으며, 항산화제의 섭취부터 유 전자치료에 이르기까지 개발되고 있는 만큼, 개인의 상태를 점검하고 생활 습관을 고치거나, 업무 환경 등에 있어서 필연적으로 노출되는 사람들은 이러한 방법 등을 활용하여 적극적으로 눈을 보 호하려는 노력이 필요할 것이다.

청색광, 안질환, 산화스트레스

Blue light, Ocular diseases, Oxidative stress 

◈본문

1. 서문

  현대인들은 다양한 빛에 노출되면서 살고 있다. 실내조명, TV, 컴퓨터, 스마트폰과 같은 가전기 기부터 자동차 헤드라이트, 빌딩 조명, 네온사인에 이르기까지 많은 종류의 빛에 노출된다. 특히, LED(light-emitting diodes)가 개발된 이후 소비전력과 크기가 소형화되면서 다양한 전자기기에 적 용되어 시각적인 아름다움을 위해 활용되기도 한다. 그러나 이러한 전자기기에 대한 노출도가 높 아지면서 눈의 피로감, 압박감, 이물감, 통증, 흐린 시야와 같은 불편함을 호소하는 사람들도 늘고 있다. 이러한 증상들은 대체로 안구 내 조절근의 피로와 긴장에 의한 조절 기능의 약화, 눈물샘 의 기능저하 등에 의해 유발될 수 있다. 이런 사람들에게 청색광을 제한하는 경우 눈의 조절 기 능이 개선되고, 피로도가 낮아져서 시력 기능의 손상이 개선되었다는 결과가 보고되었다. 사람은 강렬한 햇빛 아래에서도 사물을 볼 수 있도록 진화하였음에도, 그보다 약한 이러한 인공적인 빛 에 손상을 받을 수 있다는 점에서 볼 때, 빛의 특성과 눈에 손상을 일으키는 조건에 대해 알아볼 필요가 있음을 알 수 있다.

2. 청색광과 안구 투과율

2.1. 청색광

 청색광은 약 400~480nm 사이 파장의 빛으로 450nm 파장에서 피크를 나타내는 경우 높은 에 너지량으로 인해 가시광선 중 눈에 가장 해롭다고 알려져 있다. 청색광은 파란색 빛뿐만 아니라 백색을 표현하는 빛에도 다량 포함되어 있다. 예전에 일상에서 주로 사용하던 백열등이나 형광등 등의 인공적인 광원에도 포함되어 있었다. 그러나 청색광에 의한 손상이 주목받게 된 것은 LED 개발 이후 다양한 제품에 활용하게 된 이후인 최근의 일이다. LED 는 내구성과 에너지 효율이 좋 고, 컨트롤이 쉬우며, 열 발생이 낮고 안정적인 특성이 있다면, 이러한 특성으로 인해 광 산업이 빠 르게 발전하였다. 그러나 LED 는 다른 광원과 달리 좁은 파장의 빛을 방출한다. 이는 정확한 색 상을 표현할 수 있게 하지만, 그만큼 다른 색상의 광원이 채워져야 정확한 백색 등의 색을 표현 할 수 있다는 의미이기도 하다. 1950 년대에 이미 적색 LED 가 개발되고 1960 년대를 거쳐 녹색 LED 도 사용이 가능했음에도 널리 사용되지 못했던 이유가 정확한 청색 LED 가 개발되지 못했기 때문이었다. 다른 색상에 비해 개발의 난이도가 높았다. 1990 년대에 이르러 밝고 정확한 청색 LED 가 개발되자 비로소 정확한 색상과 밝고 선명한 색상을 표현할 수 있게 되고, 빠르게 기존 광원들을 대체해가기 시작했다며, 앞서 기술한 바와 같이, 다양한 이점들이 LED 의 활용성을 높였 고, 사람들은 더 밝고 선명한 색을 누리게 되었다. 그러나 빛에 노출되는 시간이 증가하는 만큼 안 질환 환자들이 빠르게 증가하였다. 빛의 특성을 비교해보니 LED 의 특성상 기존의 백열등보다 청 색광이 더 많이 포함되어 있음이 확인되었다. 게다가 빛의 특성상 파장이 짧을수록 에너지가 높기 때문에 LED 에서 방출되는 청색광이 더 많은 손상을 줄 수 있다.

2.2. 청색광의 안구 투과율

 그러나 모든 빛이 전부 망막까지 도달하는 것은 아니다. 빛의 파장별로 투과율이 다르다. 자외 선은 파장에 따라 A(315~400nm), B(280~315nm), C(100~280nm)로 나누며, 햇빛의 UVC 와 UVB 의 대부분은 오존층과 대기에 의해 흡수되고 일부만 지표에 도달하고, UVA 는 대부분이 지표에 도달한다. 각 파장별로 눈에서의 투과율을 살펴보면, 각막에서는 UVC 파장은 모두 각막에서 흡 수되고 복사에너지만 투과되며, UVB 또한 대부분 흡수되지만, UVA 는 약 30~40%만 흡수된다. 과 도한 UVA 나 UVB 는 각막 상피세포에 회복 가능한 수준의 손상을 유발할 수 있다. 홍채는 멜라 닌을 함유하고 있어 모든 가시광선을 흡수할 수 있다. 게다가 빛의 양에 반응하여 수축과 이완을 통해 투과되는 빛의 양을 조절할 수 있다. 수정체는 UVB 와 UVA 전체에 대해 흡수율이 강하다. 청색광에 대해서는 나이에 따라 다른 흡수율을 보여준다. 어린아이 시기에는 65% 이상의 청색광 이 투과되어 망막으로 전달되지만, 25세 전후에는 50% 수준으로 감소하며, 노화에 따라 40% 이 하로 감소한다. 자외선이나 청색광에 과도하게 노출되면 광화학적 손상을 유발하게 되며, 이는 백 내장 등의 안과질환을 유발할 수 있다.

앞서 흡수되고 남은 빛은 가시광선으로 불리며, 390~780nm 파장의 빛이 망막에 도달하게 된다. 망막에 최종 도달하는 UV 는 1~2% 수준이다. 망막 안쪽에는 상이 맺히는 황반이 존재하며, 루테인과 지아잔틴이 포함되어 청색광을 효과적으로 흡수한다. 루테인은 산화스트레스를 막아준 다. 이 물질들은 노화에 따라 점차 감소하지만 영양 섭취를 통해 보존될 수 있다는 보고가 있다. 망막색소상피세포는 광수용체의 산화된 외분절의 섭식 과정에 관여하며 노화에 따라 부산물이 축 적된다. 따라서 망막색소상피세포는 다양한 항산화물질을 가지고 있어 광자극에 의해 생성된 활성산소들을 제거하게 된다.

3. 청색광에 의한 손상 메커니즘

3.1. 각막

 각막은 외부환경에 노출되는 눈의 첫 번째 구조이자 방어벽으로, 선명한 시야를 위한 창의 역 할을 수행한다. 그러나 오염된 공기, 과량의 빛 노출, 건조, 상처 등의 환경적 위험 요소에 의해 쉽게 손상될 수 있다. 청색광은 활성산소를 유발하고 염증과 세포 사멸을 일으킬 수 있다고 보 고된 바 있다. 산화스트레스는 NLRP3 인플라마좀 경로를 활성화시켜 interleukin-1(IL-1), IL-6 와 같은 염증인자의 분비를 촉진시키고, 염증세포의 유입을 촉진시킨다. 또한 눈물의 불안정성을 유 발하여 각막 표면의 고삼투압 상태를 일으킬 수 있다. 이러한 상태를 개선시키기 위한 시도로, 항 산화물질을 함유하는 천연 추출물을 이용하여 청색광의 유해한 효과를 억제할 수 있다는 연구가 보고되었다. 또 다른 한 연구에서는 낮은 밝기의 청색광을 래트에게 하루 12시간씩 28일간 노출 시킨 결과, 눈물막 불안정성이 유발되고 염증인자가 증가하였으며, 각막 상피세포의 미세융모 감 소와 같은 조직학적 퇴행이 일어났다고 보고하였다, 이런 증상들은 안구건조증의 증상들과 매우 흡사하다.

3.2. 수정체

 수정체에서도 청색광을 흡수하지만, 지속적인 노출은 수정체 상피세포에 산화스트레스를 증가시켜 DNA에 심각한 손상을 일으키게 되고, 이는 백내장의 발생과 연관되어 있다고 보고되었다.

3.3. 망막

 망막은 빛을 수용하여 시각을 형성하는 역할을 하고 있다. 주로 시세포(광수용체)와 색소상피세 포로 구성되어 있다. 시세포는 빛을 감지하고 인지할 수 있는 신호로 전환한다. 색소상피세포는 신경세포들보다 위에 위치하여 성장인자를 분비하고 항산화적 보호 작용, 광수용체 외분절의 섭 식 작용, 혈액-망막 장벽의 유지 및 기타 생리활성 기능을 수행하고 있다. 색소상피세포에 의한 탈 락된 광수용체 외분절의 섭식 작용은 망막의 정상적인 구조와 기능에 중요한 작용이다. 소화되지 않은 물질인 리포푸신은 그 주요 발색단인 A2E 와 그 산화물들과 함께 축적되어 세포 손상을 유발한다, 리포푸신에 의한 손상 메커니즘은 다음과 같다. 첫 번째로 염증반응이 일어난다. 청색광 에 의해 증가된 ROS는 CCR2, CCR3 의 활성을 증가시키고 IL-1, TNF-a, MCP-1 과 같은 염증인자 들을 증가시켜 혈액-망막 장벽을 파괴하고 염증반응을 유발한다. 앞서 기술했던 NLRP3 인플라마 좀 또한 활성화시켜 세포 사멸을 유발한다. 둘째로, DNA 손상을 유발한다. 청색광은 직접적으로 DNA 이중나선을 깨뜨릴 수 있다고 보고되었다. 여기엔 미토콘드리아 DNA 의 손상도 포함된다. 이는 결국 미토콘드리아 호흡 과정을 손상시켜 ROS 를 증가시키는 결과를 야기한다. 셋째로, 미 토콘드리아의 직접 손상이 발생한다. 내막 구조가 손상되어 ROS 생성이 증가한다고 알려졌다. 넷 째로, 리소좀의 손상이 유발된다. 리소좀에 리포푸신의 축적이 일어나며 이는 산화스트레스 손상 으로 리소좀의 분해 능력을 억제한다.

 이외에도 어둠 속에서 빛을 수용하는 로돕신을 통해서도 청색광에 의한 손상이 일어날 수 있 다. 청색광은 로돕신의 활성과 위치를 변경하여 세포 사멸을 유도할 수 있다고 보고되었다. 망막 내 VEGF 와 PEDF의 균형은 새로운 혈관의 형성과 혈관 투과도를 조절하는 중요한 역할을 한다. VEGF는 혈관신생을 자극하고 PEDF는 이를 억제한다. A2E 는 VEGF 발현을 증가시킴으로써 청색 광에 대한 위험성을 높인다. 망막에 도달한 청색광은 산화스트레스를 일으킬 뿐만 아니라 염증인 자의 활성화와 미세아교세포의 활성화, 세포 사멸 등을 일으키게 되고, 결국 퇴행성 구조 변화 및 망막증을 유발하게 된다. 그러나 앞에서 소개한 여러 연구 기반 결과들에도 불구하고, 청색광 노 출의 위험성에 대해서는 아직 논란이 있다. 한 연구에서는 컴퓨터 모니터, 노트북 화면, 태블릿, 스마트폰 등에서 방출되는 청색광의 축적량을 분석한 결과, 이러한 기기들에서 방출하는 청색광 은 장시간 사용하여도 위험성을 나타내는 한계치에 도달하지 못한다고 보고하였다. 따라서 좀 더 다양한 조건, 노출 시간, 반복 횟수, 노출 강도 등을 활용한 연구 결과들이 누적될 필요성이 있다.

4. 눈의 항상화 시스템

 청색광의 해로움에 대한 논란에도 불구하고 안질환 환자가 꾸준히 증가하고 청색광의 위험성 이 제기되는 것은 생활 습관이나 항산화 능력의 개인적 차이들로 인한다고 여겨진다. 눈의 항산 화 시스템은 주로 항산화효소 및 비효소적 항산화물질들을 포함하고 있는 눈물막, 각막, 방수액 등 세 영역에서 담당하고 있다며, 주로 발견되는 항산화효소에는 SODs, CAT, GPXs, glutathione reductase(GR), glucose-6-phosphate dehydrogenase(G6PD) 등이 있다. 특히, SOD 는 각막에서 상 당히 큰 부분을 차지하고 있으며, 눈물막과 방수액에서도 공통으로 포함된 효소로 알려져 있다. 비효소적 항산화물질에는 ascorbic acid, glutathione, nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADPH), uric acid, a-tocopherol, retinol, ferritin, albumin 등이 있다. 따라서 일상생활에서 노출 되는 청색광에 의한 손상은 이러한 본연의 항산화 방어체계를 통해 최소화되고 있다. 그러나 이 를 넘어서도록 만드는 위험인자들, 공기오염, 과도한 노출, 안구건조, 대사질환, 수술, 각막 상처 등이 함께 존재할 경우 쉽게 그 한계를 넘기 때문에 눈에 손상을 일으키게 된다.

...................(계속)

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