극저온 보존 환자의 허혈성 손상 최소화
간략한 개요 · 벤 베스트극저온 보존 환자의 허혈성 손상 최소화
(간략한 개요)
Ⅰ. 서두
저는 극저온 보존 환자가 어떤 종류의 손상을 입는지, 그 손상을 어떻게 최소화할 수 있는지, 그리고 미래의 기술로 궁극적으로 어느 정도의 손상까지 복구할 수 있을지를 이해하려고 오랫동안 씨름해 왔습니다. 이러한 문제를 이해하는 일은 쉽지 않습니다. 극저온 보존에 직접 적용할 수 없는 과학 연구 결과를 상당 부분 확장해 해석해야 하고, 미래 과학이 무엇을 할 수 있을지도 추측해야 하기 때문입니다. 제가 이 주제에 관해 다른 곳에 쓴 글은 대개 동료 심사를 거친 학술지의 연구를 인용하며, 생물학에 대한 탄탄한 기초가 없는 사람에게는 지나치게 전문적인 용어를 사용합니다.
그래서 여기서는 위의 주제들에 관한 저의 현재 생각을 ‘일상적인 언어’로 요약해 보려 합니다. 먼저 뉴런은 뇌세포이고, 허혈은 혈류가 없어 산소와 영양분이 공급되지 않을 때 발생하는 손상이며, 미토콘드리아는 세포 안에서 에너지를 공급하는 작은 소기관이라는 점을 알아두면 좋습니다. 보다 엄밀한 근거와 참고문헌을 원하는 분은 이 글의 토대가 된 다음의 검토 글을 읽어보시기 바랍니다.
특히 다음 글을 권합니다.
저는 극저온 보존 환자의 손상을 최소화하는 데 매우 큰 관심을 두고 있습니다. 동시에 극저온 보존 환자가 흔히 생각하는 것보다 더 많은 손상을 견딜 수도 있다고 믿습니다. 뇌 조직은 실제로 상당히 질깁니다. 쥐를 대상으로 한 실험에서는 뇌로 가는 혈액 순환을 끊은 뒤 6시간이 지나도 뉴런의 15%만 죽었습니다. 뉴런의 절반이 죽기까지는 약 10시간이 걸립니다. 고령의 사람이 사망한 지 2.6시간 후 채취한 뉴런을 세포 배양한 결과, 2주가 지난 뒤에도 그 뉴런의 약 80%가 살아 있는 것으로 나타났습니다. 하지만 ‘죽은’ 뉴런이라고 해서 미래 기술로 되살리거나 재구성할 수 없는 뉴런이라는 뜻은 아닙니다. 허혈이 24시간 지속된 뒤에도 뉴런의 미토콘드리아를 전자현미경으로 구별할 수 있습니다.
Ⅱ. 냉각
냉각은 뇌 보존 상태를 개선하는 데 큰 차이를 만듭니다. 제 추정으로는 사망 후 실온에서 5시간이 지나면서 몸의 온도가 체온에서 실온까지 내려갔을 때 뇌 조직에 미치는 영향은, 병원 냉장고의 온도인 2~7°C에서 5일을 보낸 것과 대략 비슷합니다. 물에 담긴 얼음의 온도인 0°C라면 더 나은 보존 효과를 기대할 수 있습니다. 다만 소금물은 권장하지 않습니다. 온도가 0°C 아래로 내려가면 혈관에 동결 손상이 생길 수 있고, 그러면 극저온 보존 기관이 동결 손상을 줄이기 위해 동결보호제를 관류하는 데 지장이 생기기 때문입니다.
저는 극저온 보존 환자를 동결보호제 없이 극저온까지 냉각하는, 이른바 ‘냉동’을 했다고 해서 미래에 되살아날 희망이 전혀 없어지는 것은 아니라고 생각합니다. 얼음 형성으로 뇌 조직의 구조가 크게 뒤섞이더라도 그 뒤섞임은 결정론적인 방식으로 일어나며, 액체질소 온도에서 그 상태가 잘 보존됩니다. 충분히 강력한 미래 기술이라면 잘 보존된 이 복잡한 상태를 다시 풀어낼 수 있을지도 모릅니다. 또한 동결 방식에 따라 결과에도 차이가 있습니다. 0°C에서 −60°C 사이를 천천히 냉각하면 세포 밖 공간에 얼음이 형성됩니다. 뉴런과 시냅스에는 세포 안에서 얼음 형성을 유발할 수 있는 핵생성 물질이 많지 않고, 세포 내용물 자체에도 어느 정도 천연 동결보호 능력이 있으므로 일정 부분 보호됩니다. 하지만 세포는 세포 밖에 형성된 얼음에 의해 기계적으로 짓눌리는 손상을 입게 됩니다.
Ⅲ. 5분 한계의 연장
심장박동이 멈추고 혈액을 통해 산소와 영양분이 공급되지 않는 허혈 상태가 시작된 뒤에는 ‘5분 한계’가 있습니다. 일반적으로 이 시간이 지나면 심폐소생술(CPR)을 시행해도 결국 발생할 뇌 손상을 막기 어렵습니다. 이 문제의 일부는 허혈 상태가 길어질수록 혈관이 혈류에 더 큰 저항을 보인다는 데 있습니다. 심폐소생술로는 혈압을 25mmHg보다 훨씬 높게 올리기 어렵습니다. 하지만 관류압을 높이면 뇌로 혈액을 다시 흐르게 할 수 있습니다. 고양이를 대상으로 한 실험에서는 혈류가 30분 동안 중단된 뒤에도 관류압을 100mmHg로 높여 혈류를 회복시킬 수 있었습니다.
‘5분 한계’의 또 다른 핵심 요소는 세포자멸사, 즉 세포가 스스로 죽는 과정입니다. 혈류가 약 5분 동안 끊기면 뇌세포는 스스로 죽는 과정을 시작합니다. 이 과정은 매우 느려서 완료되기까지 여러 시간이 걸립니다. 심장마비 환자가 5분 동안 심폐소생술을 받지 못했다면 나중에 도움을 받더라도 대개 지속적인 뇌 조직 손상을 예상할 수 있습니다. 그러나 적시에 냉각된 극저온 보존 환자의 경우 세포가 스스로 죽는 과정이 매우 느리게 진행되며, 미래 기술로 되돌릴 수 있을지도 모릅니다. 저빌을 대상으로 한 실험에서는 온도를 체온인 37°C에서 31°C로 낮추는 것만으로도 뉴런이 허혈을 견디는 시간이 세 배로 늘어났습니다.
장비를 잘 갖춘 극저온 보존 대기팀이 말기 환자의 곁에서 대기한다면 장례지도사나 가족보다 환자를 훨씬 빨리 냉각할 수 있다는 데 의문의 여지가 없습니다. 상태가 좋은 크라이오닉스 연구소 사례 중 상당수에서는 법적 사망 판정 후 30분 이내에 환자의 머리 둘레에 얼음을 채웠습니다. 대기팀이라면 사망을 신속하게 감지하고 호스피스 간호사에게 빠르게 사망 판정을 받은 다음 몇 분 안에 냉각을 시작할 수 있을 것입니다.
물이 흐르는 얼음 욕조에서 냉각하는 방법은 얼음주머니를 사용하는 것보다 훨씬 효율적입니다. 물을 순환시키는 얼음 욕조에서는 사람의 체온을 30분 만에 37°C에서 25°C까지 낮출 수 있습니다. 반면 얼음주머니로는 30분 동안 33°C보다 훨씬 낮은 온도까지 내리기 어렵습니다. 이 결과는 극저온 보존 환자의 체격에 따라 달라집니다. 대기팀은 ACDC 기계식 심폐소생 장치를 사용하여 수동 심폐소생술보다 훨씬 효율적으로, 더 높은 혈압으로 혈류를 회복시킬 수 있습니다. 혈류가 강할수록 냉각도 빨라집니다. 또한 심폐소생 장치는 뇌 조직의 생존 능력을 유지하는 데 도움이 되는 산소를 공급합니다.
Ⅳ. 약물
빠른 냉각과 심폐 기능 보조가 극저온 보존 환자에게 매우 큰 도움이 된다고 생각하지만, 저는 헤파린 이외의 약물이 얼마나 도움이 되는지에 대해서는 좀 더 회의적이었습니다. 다만 사망 판정 전까지 다량의 비타민 E(알파 및 감마 토코페롤 모두), 생선 기름, 멜라토닌, 커큐민, N-아세틸시스테인 및 기타 항산화제를 투여하면 극저온 보존 환자에게 큰 도움이 될 수 있다고 생각합니다. 사망 판정 후에는 이러한 물질의 효과가 그리 크지 않을 수 있습니다.
제가 회의적인 또 다른 이유는 임상 연구에서 뇌졸중 치료 약물의 효과가 제한적으로 나타났기 때문입니다. 하지만 주목할 만한 예외가 하나 있는데, 혈전을 분해하는 혈전용해제입니다. 뇌졸중 발생 후 두어 시간 이내에 혈전용해제를 투여하면 3개월 뒤 좋은 결과를 얻을 가능성이 두 배로 높아질 수 있습니다. 6시간 이내에 투여해도 그 가능성이 최대 20% 높아질 수 있지만, 혈전용해제로 인한 출혈 위험도 함께 증가합니다.
마이크 다윈과 스티브 해리스 박사는 개를 대상으로 실험을 했습니다. 보고에 따르면 여러 약물을 혼합해 사용함으로써 최대 17분 동안 혈류가 없었을 때의 손상 효과를 없앴습니다. 이 주장을 뒷받침하는 사례로는 심폐소생술을 ‘발명한’ 과학자인 피터 사파르 박사의 실험이 있습니다. 그는 1970년대에 헤파린, 덱스트란 40을 이용한 혈액 희석, 혈압을 높이기 위한 에피네프린을 사용하여, 혈류가 12분 동안 중단된 개의 뇌 손상을 막을 수 있었습니다.
Ⅴ. 재관류 손상
고려해야 할 또 다른 요소는 재관류 손상입니다. 심장이 멈춘 뒤 20~30분 이내에 혈액 순환을 회복하면 뇌 조직에 도움이 될 수 있습니다. 하지만 그보다 시간이 더 지나면, 특히 항허혈 약물의 도움을 받지 못한 경우에는 혈액 순환을 회복하는 것이 이롭기보다 뇌 조직을 손상시킬 가능성이 더 큽니다. 산소는 허혈이 경미한 조직의 회복을 돕지만, 허혈이 더 심한 조직에는 큰 손상을 입힙니다. 앞서 허혈이 24시간 지속된 뒤에도 뉴런의 미토콘드리아를 전자현미경으로 볼 수 있었던 실험을 언급했습니다. 그와 달리 허혈 3시간 후 재관류를 2시간 시행했을 때는 뉴런의 손상이 훨씬 심했고, 미토콘드리아에도 구조가 거의 남아 있지 않았습니다.
혈관 역시 재관류 손상으로 크게 손상되며, 이로 인해 동결보호제 관류가 어려워질 수 있습니다. 따라서 크라이오닉스 연구소는 혈액을 양질의 장기 보존액으로 대체할 수 있더라도, 장례지도사가 이송 전에 혈액 세척을 실시하는 것을 더는 원하지 않습니다. 대기팀의 지원, 신속한 냉각 및 심폐 기능 보조가 없고 장례지도사가 사망 판정 후 한 시간 이내에 혈액 세척을 시작하지 못한다면, 상당한 재관류 손상이 발생할 가능성이 매우 큽니다.
Ⅵ. 맺음말
저는 극저온 보존 환자가 상당한 시간의 허혈과 동결 손상을 겪더라도 미래의 소생 가능성을 완전히 잃지는 않는다고 생각합니다. 그럼에도 가능하고 비용을 감당할 수 있다면 손상을 최소화하는 것이 신중한 선택이라고 생각합니다. 손상을 최소화하면 기술적인 관점에서 미래 소생 가능성이 높아질 뿐 아니라 소생 시기도 더 빨라질 수 있습니다. 소생이 늦어질수록 극저온 보존을 방해할 불리한 사건이 일어날 가능성도 커집니다.