바이오인

논문/저널/저자

Mapping cerebral perfusion in mice under various anesthesia levels using highly sensitive BOLD MRI with transient hypoxia/ SCIENCE ADVANCES (2024)/ Thuy Thi Le, 임근호, 이찬희, 최상한, 김성기

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adm7605

연구내용

보충설명

본 연구는 자기공명영상(MRI)을 이용해 소동물(마우스, 랫트 등) 조직 및 장기 등에 혈액의 흐름 즉, 관류(perfusion)를 비침습적으로 측정하는 방법에 관한 것이다. 생의학 관련 분야에서는 ‘관류’로 표현되나 대중의 이해를 돕기 위해 ‘혈류’로 표현했다.

일반적으로 MRI에서 혈류측정은, 생체 내 혈액에서 발생하는 MRI 신호 변화량(∆T1, ∆T2, ∆T2*)을 측정해 관심 영역의 혈류용적(blood volume), 혈류량(blood flow) 등 혈류지표를 계산한다. 본 연구는 질소(N2) 가스를 수 초간 흡입하면 일시적인 저산소 상태에서 발생하는 혈액 내 MRI 신호 변화를 이용해 혈액의 흐름과 양을 측정하는 방법이다. 또한, 소동물 MRI 실험은 대부분 주사마취제 혹은 흡입마취제(inhalation anesthetic agent)로 소동물을 마취해 실험한다. 본 연구에서 마취제는 아이소프로란(Isoflurane) 흡입마취제(inhalation anesthetic agent)를 사용했다. 특별히 제작·고안된 고정/공급장치(animal cradle)와 기존 가스공급 장치를 결합한 시스템에 흡입마취제와 관류측정용 질소가스를 사용해 소동물 생체 내 혈류를 측정했다. 또한, 동물실험의 대표적인 주사제 마취약인 덱스메데토미딘(Dexmedetomidine)과 케타민(Ketamin)을 이용한 마취 상태에서 혈류측정 연구도 진행했다.

연구 이야기

[연구 과정]

본 연구는 기존방법으로 마우스에서 혈류를 정확히 측정할 수 없는 한계를 극복하고자 시작됐다. 우선 혈류 변화를 가장 잘 반영하는 MRI 방법을 찾아야 했는데, 이 분야의 석학인 김성기 단장이 가스 자극에 의한 혈류 반응을 이용하자고 제안했다. 이는 결국 문제 해결의 출발점이 됐다.

이를 구현하고자 여러 장비를 제작했고, 제작된 시스템에서 얻은 영상신호로 혈류지표를 계산하는 방법을 모색했다. 혈류가 반영된 영상을 완성하고 이를 마취약별로 적용하는 연구를 진행했다.

[어려웠던 점]

큰 어려운 점은 없었지만 여러 장비와 고정장치를 직접 제작해야 했다. 3D 프린터를 이용하기 위해 CAD 프로그램을 배우고, 제작·실험·수정하는 과정을 여러 번 반복한 후 시스템을 완성할 수 있었다. 여러 종류의 마취약을 실험하기 위해 흡입, 정맥주사, 복강주사 등 다양한 마취약 투여방법에 대한 연습이 필요했다.

[성과 차별점]

다른 영상장치(PET, CT, 초음파 등) 및 기존 관류측정 방법은 대부분 방사성화합물 혹은 조영제를 정맥에 주사한다. 따라서 측정에 실패할 경우 최소 수일 이상 지나야 재촬영이 가능하고, 소동물에서는 측정 영역 및 해상도 관련 제한점도 많다.

새로 개발된 방법은 기존과 달리 실제와 유사한 뇌혈류량 측정이 가능하고 신호대잡음비가 높으며, 뇌뿐만 아니라 다른 조직 및 장기에도 적용 가능하다는 장점이 있다.

본 관류측정 기술 시스템은 한 개체를 짧은 시간 내 반복적으로 측정할 수 있어, 시간 단축 및 비용 절감이 가능하며 몸 전체 조직 및 장기에 발생하는 다양한 허혈성 질환 또는 암 질환 등에 적용될 수 있다.

특히, 치료약물 투여 전후의 변화를 측정함으로써 전임상/임상 약효 유효성 평가에 중요한 기술로 사용될 수 있다. 추적 관찰하는 연구 및 평가에도 유용하게 사용될 수 있다.

[향후 연구계획]

- 저산소증으로 인한 생리학적 변화를 완화하기 위해, 보다 가벼운 저산소 자극을 위한 혼합가스 사용 연구와 이산화탄소(CO2), 산소(O2) 등에 다른 가스 자극을 이용하는 혈관 생리학 연구

- 뇌종양(Tumor), 뇌졸중(Stroke), 허혈성 질환(Ischemia) 등에 쥐 질병 모델을 이용한 적용 연구

- 현재 1초 정도인 시간 해상도를 높이기 위해 다중 슬라이스 샘플링과 같은 여러 MRI 기법 및 분석 방법 적용 연구

- 사람에 적용 가능한 가스 전달 및 자극 시스템 개발