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문제 정의
- 본 논문에서는 마이크로 컴퓨터단층영상을 통해 측정한 엑스선 감쇠 계수 및 손상부위의 골 부피를 통해 치료 효과를 파악해 보았다. 엑스선 감쇠 계수는 골밀도(BMD, Bone Mineralized Density)에 관여하는 요인으로서 간단하게 골형성의 질을 파악할 수 있는 지표라고 할 수 있다[13].
- 본 논문에서는, 기존의 침습형 레이저를 간단한 형태로 적용시킬 수 있는 프로브를 제작하였다. 또한 손상된 경골에 침습형 저출력 레이저 치료를 적용한 후 손상 부위의 엑스선 감쇠계수 및 골 부피를 분석하여 치료 효과를 평가하였다.
- 이를 극복하기 위한 방안 중 하나로 본 논문에서는 침습형 레이저 시스템이 제안되었다. 이 침습형 레이저를 통하여, 표피에 존재하는 멜라닌 색소에 의한 광 흡수 및 진피층에서의 섬유질 등에 의한 산란을 일부 극복할 수 있다.
제안 방법
- 골 손상 처치 후, 만 하루 뒤부터 제작된 프로브를 이용하여 침습형 저출력 레이저 치료를 매 48시간 간격으로 총 4주간 시행하였다. 침습형 저출력 레이저 치료는 이소플루란(2%)과 산소(2 L/min)의 혼합기체를 이용한 호흡 마취 상태에서 진행되었다.
- 본 논문에서는, 기존의 침습형 레이저를 간단한 형태로 적용시킬 수 있는 프로브를 제작하였다. 또한 손상된 경골에 침습형 저출력 레이저 치료를 적용한 후 손상 부위의 엑스선 감쇠계수 및 골 부피를 분석하여 치료 효과를 평가하였다.
- 실험동물들은 무작위로 실험군 1(침습형 저출력 레이저 치료군; 660 nm, 10 mW, 5 J), 실험군 2(침습형 저출력 레이저 치료군; 660 nm, 20 mW, 10 J), 비처치대조군의 세 개의 군으로 나뉘어졌다. 모든 실험동물들은 피부 및 근육 절개 후, 수술용 드릴 기구를 이용하여 오른쪽 경골조면 부근 측면의 넓은 부위에 직경 1 mm의 구멍형태를 가지는 골 손상을 유발 한 뒤 봉합되었다.
- 제작된 치료용 프로브는 125 um의 코어클래딩(core and cladding)을 가지는 유리 광섬유(FG105LCA, Thorlabs)를 사용하였으며, 이 광섬유는 30 게이지의 스테인리스 바늘(외경: 311 um, 내경: 159 um)에 삽입 고정 되었다. 바늘구조부분에는 치료 부위에 고정되며, 약 1 mm의 일정한 침습 깊이를 가지게 하기 위한 구조물로서 연성 플라스틱으로 구성된 부착물구조가 바늘을 지탱하도록 하였다.
- 생쥐들은 온도 및 습도가 일정하게 유지되며(온도: 25℃; 습도: 50%), 12시간의 광주기(주광 시작, 매일 07:00)를 가지는 사육실에서 사육되었다. 실험동물들은 무작위로 실험군 1(침습형 저출력 레이저 치료군; 660 nm, 10 mW, 5 J), 실험군 2(침습형 저출력 레이저 치료군; 660 nm, 20 mW, 10 J), 비처치대조군의 세 개의 군으로 나뉘어졌다. 모든 실험동물들은 피부 및 근육 절개 후, 수술용 드릴 기구를 이용하여 오른쪽 경골조면 부근 측면의 넓은 부위에 직경 1 mm의 구멍형태를 가지는 골 손상을 유발 한 뒤 봉합되었다.
- 치료 효과의 평가는 손상 부위의 골 부피 및 엑스선 감쇠 계수를 비교하였으며, 이를 위해 골 손상 직후, 2주 경과 후, 4주 경과 후 총 3회의 마이크로 컴퓨터단층영상 촬영(Skyscan 1076; Skyscan)이 진행되었다. 촬영된 마이크로 컴퓨터단층영상에서 손상 직후의 면적 및 부피를 기준으로 하여 2주 후 및 4주 후의 엑스선 감쇠계수 및 골 부피 재생량을 측정하였다. 모든 동물실험은 연세대학교 원주캠퍼스 동물실험윤리위원회의 가이드라인을 준수하였다(YWC-150923-1).
- 침습형 저출력 레이저 치료는 이소플루란(2%)과 산소(2 L/min)의 혼합기체를 이용한 호흡 마취 상태에서 진행되었다. 치료 효과의 평가는 손상 부위의 골 부피 및 엑스선 감쇠 계수를 비교하였으며, 이를 위해 골 손상 직후, 2주 경과 후, 4주 경과 후 총 3회의 마이크로 컴퓨터단층영상 촬영(Skyscan 1076; Skyscan)이 진행되었다. 촬영된 마이크로 컴퓨터단층영상에서 손상 직후의 면적 및 부피를 기준으로 하여 2주 후 및 4주 후의 엑스선 감쇠계수 및 골 부피 재생량을 측정하였다.
- 골 손상 처치 후, 만 하루 뒤부터 제작된 프로브를 이용하여 침습형 저출력 레이저 치료를 매 48시간 간격으로 총 4주간 시행하였다. 침습형 저출력 레이저 치료는 이소플루란(2%)과 산소(2 L/min)의 혼합기체를 이용한 호흡 마취 상태에서 진행되었다. 치료 효과의 평가는 손상 부위의 골 부피 및 엑스선 감쇠 계수를 비교하였으며, 이를 위해 골 손상 직후, 2주 경과 후, 4주 경과 후 총 3회의 마이크로 컴퓨터단층영상 촬영(Skyscan 1076; Skyscan)이 진행되었다.
대상 데이터
- 저출력 레이저의 골 손상 회복 효과 확인을 위해 총 12마리의 생쥐(mouse, C57BL/6, 11 주령)가 준비되었다. 생쥐들은 온도 및 습도가 일정하게 유지되며(온도: 25℃; 습도: 50%), 12시간의 광주기(주광 시작, 매일 07:00)를 가지는 사육실에서 사육되었다.
- 구성된 레이저 다이오드 시스템의 침습형 치료를 위해 광섬유를 이용한 프로브가 그림 2와 같이 제작되었다. 제작된 치료용 프로브는 125 um의 코어클래딩(core and cladding)을 가지는 유리 광섬유(FG105LCA, Thorlabs)를 사용하였으며, 이 광섬유는 30 게이지의 스테인리스 바늘(외경: 311 um, 내경: 159 um)에 삽입 고정 되었다. 바늘구조부분에는 치료 부위에 고정되며, 약 1 mm의 일정한 침습 깊이를 가지게 하기 위한 구조물로서 연성 플라스틱으로 구성된 부착물구조가 바늘을 지탱하도록 하였다.
성능/효과
- (a)의 2주 후 결과에 비하여 줄어들었으나, 실험군 1과 대조군은 여전히 유의한 차이(p < 0.05)를 보이는 것으로 나타났다.
- 본 논문의 엑스선 감쇠 계수 결과에서 실험군 1이 대조군에 비하여 유의하게 긍정적인 효과를 보이는 것으로 미루어 보아, 골 재생 및 경화 과정에서 침습형 저출력 레이저 치료가 조밀한 골 형성의 속도에 영향을 미치는 것으로 생각할 수 있었다. 또한 실험군 2 보다 실험군 1에서 엑스선 감쇠계수가 더 높게 나타나는 것으로 보아, 실험군 1의 실험 방법이 골 유합에 보다 더 적합하다고 할 수 있다.
- 그림 4(b)는 처치 4주 후 엑스선 감쇠 계수를 나타내고 있다. 모든 실험군 및 대조군에서 엑스선 감쇠 계수가 증가한 것을 확인할 수 있다. 각 실험군 및 대조군 사이에서의 차이가 그림 4(a)의 2주 후 결과에 비하여 줄어들었으나, 실험군 1과 대조군은 여전히 유의한 차이(p < 0.
- 침습형 저출력 레이저 프로브를 이용한 선행연구에서, 405nm 파장의 조사가 골 형성에 관계된 Per2 유전자의 작용에 부정적인 영향을 끼치는 것으로 나타났다[14]. 본 논문에서 적용된 660 nm 파장은 빠른 골 형성에 관여하는 것으로 보아, 660 nm 파장 또한 Per2 혹은 연계된 골 형성 관여 유전자를 자극하여 골 형성을 촉진시키는 것으로 유추할 수 있다. 이를 통해, 다양한 파장의 저출력 레이저 자극이 생체반응에 미치는 영향 및 작용기전에 대한 생리학적 연구가 필요함을 알 수 있으며, 이를 위한 방법으로 본 논문에서의 침습형 레이저 자극이 사용될 수 있을 것으로 생각된다.
- 본 논문의 2 주차 골 부피 측정 결과에서의 빠른 골 부피 회복은 침습형 저출력 레이저 치료가 골 형성의 초기 단계에서 매우 큰 효과를 보이는 것으로 생각 할 수 있으며, 초기 단계의 골 세포 분화 과정을 촉진하는 것으로 볼 수 있다. 빠른 골 형성은 초기 골 유합과정에서 좀 더 빠른 재활치료를 가능하게 하며, 이는 곧 더 빠른 일상생활로의 복귀를 의미한다.
- 엑스선 감쇠 계수는 골밀도(BMD, Bone Mineralized Density)에 관여하는 요인으로서 간단하게 골형성의 질을 파악할 수 있는 지표라고 할 수 있다[13]. 본 논문의 엑스선 감쇠 계수 결과에서 실험군 1이 대조군에 비하여 유의하게 긍정적인 효과를 보이는 것으로 미루어 보아, 골 재생 및 경화 과정에서 침습형 저출력 레이저 치료가 조밀한 골 형성의 속도에 영향을 미치는 것으로 생각할 수 있었다. 또한 실험군 2 보다 실험군 1에서 엑스선 감쇠계수가 더 높게 나타나는 것으로 보아, 실험군 1의 실험 방법이 골 유합에 보다 더 적합하다고 할 수 있다.
- 실험군 1과 실험군 2에서 대조군보다 높은 재생량을 보이며, 유의한 차이(p < 0.05)를 보이는 것을 확인할 수 있다.
- 엑스선 감쇠 계수 및 골 부피의 4주차 결과에서 실험군과 대조군의 차이가 미미한 것은 대조군의 자연 재생이 실험군의 치료효과를 통한 재생 결과를 따라잡은 것으로 보이나, 이는 침습형 저출력 레이저 치료과정이 골 재생의 초기단계에서 작용하여 빠른 골 재생 및 경화를 유도함으로써 치료기간을 단축시킨 것으로 파악할 수 있다.
- 01) 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이로부터, 2주 간의 저출력 레이저 치료가 골 손상 회복에 있어서, 경화 과정의 가속에 관여하는 것을 파악할 수 있다.
- 침습형 저출력 레이저 치료 2주 후, 대조군과 실험군에서의 차이가 유의하게(p < 0.01) 나타나는 것을 확인할 수 있다.
후속연구
- 본 논문에서 제안된 침습형 저출력 레이저 치료는 비침습형 치료 대비 더 낮은 출력을 사용할 수 있으며, 표피 및 진피층의 흡수 특성과 산란 특성을 일정부분 극복가능하기 때문에 후속 연구를 통해 일정부분 정량화가 가능하다는 장점이 존재한다. 또한 침습형 자극 방법을 통해 피부의 산란 및 흡수 특성에 의해 사용하기 어려웠던 500 nm 이하의 파장 대역에 대해서도 생리학적 작용기전 연구 및 심부 조직에서의 다양한 치료 응용 연구가 가능해질 것으로 생각된다.
- 이러한 치료 효과들은 상처치유, 염증완화 등의 다른 비침습형 선행연구들에서도 유사한 경향성을 보이나, 광 조사 방법, 실험 개체(종류, 부위, 개체 별 피부특성)의 광 특성 차이에 따라 정량화된 특성을 귀결하지 못하고 있다. 본 논문에서 제안된 침습형 저출력 레이저 치료는 비침습형 치료 대비 더 낮은 출력을 사용할 수 있으며, 표피 및 진피층의 흡수 특성과 산란 특성을 일정부분 극복가능하기 때문에 후속 연구를 통해 일정부분 정량화가 가능하다는 장점이 존재한다. 또한 침습형 자극 방법을 통해 피부의 산란 및 흡수 특성에 의해 사용하기 어려웠던 500 nm 이하의 파장 대역에 대해서도 생리학적 작용기전 연구 및 심부 조직에서의 다양한 치료 응용 연구가 가능해질 것으로 생각된다.
- 본 논문에서 적용된 660 nm 파장은 빠른 골 형성에 관여하는 것으로 보아, 660 nm 파장 또한 Per2 혹은 연계된 골 형성 관여 유전자를 자극하여 골 형성을 촉진시키는 것으로 유추할 수 있다. 이를 통해, 다양한 파장의 저출력 레이저 자극이 생체반응에 미치는 영향 및 작용기전에 대한 생리학적 연구가 필요함을 알 수 있으며, 이를 위한 방법으로 본 논문에서의 침습형 레이저 자극이 사용될 수 있을 것으로 생각된다.
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