I. 배경

크라이오닉스 환자를 극저온 보관에 대비시키는 과정에는 체액을 변화시키는 세 단계가 포함될 수 있습니다.

1. 환자 냉각과 심폐 기능 지원
2. 환자 운송을 위한 혈액 세척 및 치환
3. 동결보호제 관류

환자를 냉각하고 심폐 기능을 지원하는 동안 크라이오닉스 긴급 대응팀이나 의료진은 허혈성 손상을 최소화하고 극저온 보존을 돕기 위해 여러 약물을 투여할 수 있습니다. 그중 첫 번째이자 가장 중요한 약물은 혈액 응고를 막는 헤파린입니다. 초기 냉각 과정에 관한 자세한 내용은 「지역 크라이오닉스 단체를 위한 긴급 대응 준비」를 참고하세요.

환자가 냉각되면 혈액을 씻어내고, 크라이오닉스 시설로 운송하는 동안 장기와 조직을 살아 있는 상태로 유지하기 위한 용액으로 대체할 수 있습니다. 시설에 도착하면 이 장기·조직 보존액을 극저온 보존액으로 바꿉니다. 이 용액은 장기 보관을 위해 환자를 약 −120°C의 유리전이온도 또는 −196°C의 액체질소 온도까지 더 냉각할 때 얼음이 생기는 것을 막기 위한 것입니다.

장기·조직 보존과 동결 손상 방지 모두 혈관과 조직 세포에 들어 있는 액체를 다른 액체로 바꿔야 합니다. 혈관에 액체를 주입하고 순환시키는 과정을 관류라고 합니다. 액체가 혈관과 세포 안팎으로 드나드는 수동적인 과정을 확산이라고 합니다.

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II. 체액의 확산

체액은 용매에 용질이 녹아 있는 상태로 설명할 수 있습니다. 용매는 물이고, 용질에는 염화나트륨(NaCl, 식염), 포도당, 단백질 등이 있습니다. 물 분자와 용질 분자는 모두 액체 속에서 무작위로 움직이며, 그 에너지와 속도는 온도에 정비례합니다. 한 액체 구획의 특정 부분에 있는 물이나 용질 분자의 농도가 나머지 부분과 다르면, 분자의 무작위 운동으로 결국 모든 종류의 분자가 구획 전체에 균일하게 분포합니다. 열역학에서는 이를 일정한 온도에서 엔트로피가 증가해 위치 에너지, 즉 열에너지가 아닌 깁스 자유에너지가 감소하고 평형에 이르는 과정으로 설명합니다.

분자가 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는 현상을 확산이라고 합니다. 확산 속도 J는 픽의 확산 법칙으로 나타낼 수 있습니다.

픽의 제1법칙에 따르면 농도 기울기를 따라 일어나는 확산 속도는 그 순간의 농도 기울기 크기에 비례하며, 농도 기울기는 확산이 진행됨에 따라 달라집니다. 분자가 높은 농도에서 낮은 농도로 이동할 때 dc/dx는 음수이므로, 여기에 −DA를 곱하면 양의 J가 됩니다. 온도가 높고 분자가 작을수록 확산계수는 커집니다.

확산은 한 액체 구획 안에서뿐 아니라 서로 다른 액체 구획을 나누는 막을 가로질러서도 일어납니다. 동물에서 중요한 막은 세포막과 모세혈관 벽입니다. 세포막은 지질 이중층으로, 산소·질소·이산화탄소·알코올처럼 지용성인 물질은 자유롭게 확산시키지만 이온과 극성 분자의 이동은 막습니다. 그러나 세포막에는 단백질로 이루어진 통로도 있습니다. 물 통로는 물이 막을 매우 빠르게 통과하도록 하고, 칼륨(K⁺)·나트륨(Na⁺) 및 다른 이온의 단백질 통로는 이동을 더 제한적으로 허용합니다. 여러 분자는 촉진 확산 또는 능동 수송으로 막을 통과하기도 합니다.

체중 70kg(154파운드)인 일반 성인은 체액이 체중의 약 60%를 차지합니다. 뇌척수액, 활액 및 몇 가지 작은 액체 구획을 제외하면 거의 모든 체액은 세포외액 또는 세포내액입니다. 세포외액은 다시 혈장, 즉 혈액의 비세포성 성분과, 혈관 밖에서 세포 사이를 채우는 간질액으로 나뉩니다. 세포막은 세포내액과 세포외액을 분리하고 모세혈관 벽은 혈장과 간질액을 분리합니다. 상대적인 비율은 다음과 같습니다.

혈액량에는 혈장과 혈구가 모두 포함됩니다. 혈장량에 혈구의 세포내액량을 더하면 혈액은 전체 체액의 12%가 됩니다.

삼투는 반투막, 즉 물은 통과시키지만 용액의 모든 용질을 통과시키지는 않는 막을 통한 물(용매)의 확산을 뜻합니다. 막을 통과하지 못하는 용질을 막의 한쪽에만 넣으면 그쪽의 물 농도가 낮아집니다. 물의 확산을 막는 압력을 가하지 않는 한, 이 농도차 때문에 물은 반투막을 지나 용질이 있는 쪽으로 이동합니다. 막을 통한 물의 확산을 완전히 막는 데 필요한 압력을 그 막에 대한 용액의 삼투압이라고 합니다.

증기압 강하나 어는점 내림과 마찬가지로 삼투압은 총괄성입니다. 이는 입자의 종류보다 용액 속 입자 수가 더 중요하다는 뜻입니다. 분자량 70,000인 알부민 분자 하나도 포도당 분자 하나나 나트륨 이온 하나와 같은 만큼 삼투압에 기여합니다. 평형 상태에서는 용액 속 모든 분자의 평균 운동에너지가 같아져 질량이 작은 분자가 더 빠르게 움직입니다. 따라서 1몰 농도의 NaCl 용액은 1몰 농도의 포도당 용액보다 삼투압이 두 배입니다. Na⁺와 Cl⁻가 각각 독립된 입자로 삼투압을 내기 때문입니다.

용질 농도는 보통 용액 1리터당 용질 몰수인 몰농도로 나타냅니다. 용액의 오스몰농도는 용질의 몰농도에 그 용질에서 생성되는 용해 입자 수를 곱한 값입니다. 1몰(1.0M, 리터당 1몰)의 CaCl₂ 용액은 물에서 Ca²⁺ 한 개와 Cl⁻ 두 개를 만들기 때문에 3오스몰/리터입니다. 실제 현장에서는 리터당 입자 수인 오스몰농도보다 킬로그램당 입자 수인 오스몰랄농도를 더 많이 사용합니다. 묽은 용액에서는 두 값이 매우 비슷합니다. 체액의 용질 농도를 설명할 때는 오스몰의 1,000분의 1인 밀리오스몰(mOsm)이 편리합니다. 세포내액·간질액·혈장의 전체 용질 오스몰랄농도는 대략 300mOsm/kgH₂O입니다. 세포내액에서는 칼륨 이온과 동반 음이온이 오스몰랄농도의 약 절반을 차지하고, 간질액과 혈장에서는 나트륨과 염화물 이온이 약 80%를 차지합니다.

앞서 설명했듯 삼투압과 어는점 내림은 모두 총괄성이며 서로 환산할 수 있습니다. 어떤 용질이든 1오스몰이면 물의 어는점을 1.858°C 낮춥니다. 따라서 0.9% NaCl 용액은 0.154몰 농도, 약 308mOsm/kgH₂O이며 물의 어는점을 약 0.572°C 낮춥니다.

용액의 오스몰랄농도는 계산하거나 측정할 수 있는 절대적인 양입니다. 반면 긴장도는 삼투압과 용질의 반투막 통과 능력에 따라 정해지는 상대적인 개념입니다. 즉, 어떤 용질과 어떤 막을 기준으로 하느냐, 특히 용질이 막을 통과하는지에 따라 달라집니다. 생물학적으로 가장 중요한 막은 세포막입니다. 용액에서 세포가 수축하거나 팽창하는 것은 반드시 오스몰랄농도가 아니라 긴장도에 따라 결정됩니다. 모든 용질이 반투막을 통과하지 못할 때만 오스몰랄농도가 긴장도의 정량적 척도가 됩니다. 체액의 용질은 막을 통과하지 못하는 경우가 많아 두 개념을 같은 것처럼 말하기도 합니다. 액체의 1mOsm/kgH₂O마다 삼투압에 약 19mmHg를 기여합니다.

세포가 수축하지도 팽창하지도 않는 용액을 등장액이라고 합니다. 0.9% NaCl(생리식염수)과 인슐린이 없을 때의 5% 포도당은 모두 막을 통과하지 못하는 용질이 약 300mOsm/kgH₂O인 등장액입니다. 인슐린이 있으면 포도당이 세포막을 통과하므로 5% 포도당은 저장액이 됩니다. 고장액에서는 물이 세포 밖의 용질 쪽으로 급히 빠져나가 세포가 수축합니다. 저장액에서는 용액의 물이 세포로 들어가 세포가 팽창합니다.

혈장의 오스몰랄농도를 정확히 계산하면 308mOsm/kgH₂O이지만, 혈장의 어는점 내림값인 −0.54°C는 286mOsm/kgH₂O를 나타냅니다. 이온끼리의 상호작용이 유효 오스몰랄농도를 낮추기 때문입니다. 나트륨 이온(Na⁺)과 동반 음이온, 주로 Cl⁻와 HCO₃⁻가 혈장 오스몰랄농도에서 약 20mOsm/kgH₂O를 제외한 거의 전부를 차지합니다. 혈장 나트륨 농도는 보통 갈증 등에 따른 혈장 수분량으로 조절됩니다 [BMJ; Reynolds,RM; 332:702-705 (2006)]. 정상 혈청 Na⁺ 농도는 리터당 135~145밀리몰이며 135mmol/L가 저나트륨혈증의 경계입니다. 세포내 나트륨 농도는 보통 약 20mmol/L로 세포외 농도의 약 7분의 1입니다. 포도당과 요소는 약 5mOsm/kgH₂O를 차지합니다. 혈장 오스몰랄농도는 보통 동반 음이온을 포함하도록 나트륨 이온 값을 두 배 한 다음 포도당과 요소 분자를 더해 근사하며, 나머지 분자는 영향이 작아 무시합니다. 단백질은 혈장 오스몰랄농도의 1% 미만을 차지합니다. 세포 속 단백질 농도는 혈장의 약 네 배입니다.

에탄올은 용액의 오스몰랄농도를 높이지만, 물처럼 세포막을 통과하므로 긴장도를 높이지 않습니다. 세포외 에탄올의 증가로 고긴장도 없이 고오스몰 상태가 임상에서 나타날 수 있습니다 [MINERVA ANESTESIOLOGICA; Offenstadt,G; 72(6):353-356 (2006)]. 글리세롤도 세포막을 통과하지만 물보다 수천 배 느립니다. 따라서 글리세롤은 평형 상태에서만 등장성이며, 그전에는 ‘일시적으로 고장성’입니다. 에틸렌글리콜은 적혈구막을 글리세롤보다 약 여섯 배, 정자 세포막을 약 네 배 빠르게 통과합니다. 물조차도 세포막을 통과하는 수리전도도에는 유한한 시간이 필요합니다.

천천히 막을 통과하는 용질이 포함된 ‘일시적 고장액’에 세포를 넣으면, 처음에는 물이 빠져나가 세포가 급격히 수축합니다. 이후 용질이 서서히 들어오면서 다시 팽창합니다. 이것을 수축·재팽창 주기라고 합니다. 10°C의 쥐 난모세포를 그린 도표에서 물은 처음 100초 동안 세포를 빠져나가지만, 1.5몰 에틸렌글리콜(검은 사각형)이나 DMSO(디메틸설폭사이드, 흰 사각형)가 세포 부피를 원래의 85%까지 회복시키는 데는 1,750초가 걸립니다 [CRYOBIOLOGY; Paynter,SJ; 38:169-176 (1999)]. 삼투 불균형으로 세포가 터지거나 찌그러지지 않더라도 갑작스러운 삼투 균형의 변화는 세포에 손상을 줄 수 있습니다. 세포는 저장액을 어느 정도 견디기도 합니다. 과립구는 삼투 스트레스에 특히 민감하지만, 막을 통과하지 못하는 용질의 오스몰랄농도가 생리적 수치의 약 두 배인 600mOsm/kgH₂O에 가까워지기 전까지는 고장액이 생존율에 큰 영향을 주지 않습니다 [AMERICAN JOURNAL OF PHYSIOLOGY; Armitage WJ; 247(5 Pt 1):C373-381 (1984)].

PC3 세포는 0°C에서 5,000mOsm/kgH₂O의 NaCl에 60분간 노출되어도 생존율이 거의 떨어지지 않으며, 재수화 후에도 약 85%가 생존합니다. 0°C에서 9,000mOsm/kgH₂O의 NaCl에 60분간 노출된 경우에도 약 85%가 살아남지만 재수화 후에는 20% 미만만 생존합니다. 23°C에서는 5,000mOsm/kgH₂O의 NaCl에 60분 노출되었을 때 대부분 살아남아도 재수화 후 생존율은 약 3분의 1에 불과합니다. 23°C와 9,000mOsm/kgH₂O에서는 60분 후 약 절반만 살아남고 재수화 후에는 생존 세포가 없습니다. 이는 낮은 온도가 삼투 스트레스를 완화한다는 점을 보여줍니다. 23°C의 물 이동량은 9,000과 5,000mOsm/kgH₂O에서 같았으며, 고장 상태에서의 세포 생존율은 농도를 높이는 속도에 영향을 받지 않았습니다 [CRYOBIOLOGY; Zawlodzka,S; 50(1):58-70 (2005)].

고삼투 스트레스는 세포막뿐 아니라 세포골격을 손상시키고, DNA 복제와 번역을 억제하며, 미토콘드리아를 탈분극시키고 DNA와 단백질에도 손상을 줍니다. 열충격 단백질과 소르비톨·타우린 같은 유기 삼투질이 방어 작용을 위해 합성됩니다. PC3처럼 증식이 활발한 세포는 증식이 느린 세포보다 삼투 스트레스에 더 취약합니다. 증식이 느린 세포는 삼투 스트레스가 발생했을 때 유사분열 중인 세포가 적어 세포 방어 체계를 더 쉽게 동원할 수 있기 때문입니다 [PHYSIOLOGICAL REVIEWS; Burg,MB; 87(4):1441-1474 (2007)].

체액을 치환할 때 기억해야 할 중요한 구분은 두 종류의 부종, 즉 세포 팽창과 조직 팽창입니다. 세포 밖의 막 불투과성 용질 농도가 세포 안보다 낮으면 세포가 팽창합니다. 세포가 수축하거나 팽창하지 않으려면 세포 안팎 액체의 분자와 이온 사이에 삼투 균형이 있어야 합니다. 모세혈관 벽은 세포막을 통과하지 못하는 작은 분자와 이온 대부분에는 투과성이 있지만, 콜로이드라고 하는 큰 분자인 단백질에는 비투과성인 반투막입니다. 단백질이 모세혈관 벽에 가하는 콜로이드 삼투압을 교질삼투압이라고 합니다. 정상 인간 혈장의 교질삼투압은 약 28mmHg이며, 그중 9mmHg는 도난 효과에 기인합니다. 음전하를 띤 단백질이 작은 양이온을 결합하지는 않으면서 끌어당기기 때문에 작은 음이온이 더 쉽게 확산하는 현상입니다. 전체 혈장 단백질의 약 60%는 알부민(리터당 30~50g)이고 나머지는 글로불린이지만, 알부민이 혈관 내 전체 교질삼투압의 75~80%를 담당합니다. 조직 팽창은 혈관의 액체가 세포 사이의 간질 공간으로 새어 나갈 때 일어납니다. 혈관 손상이 원인이 될 수 있고, 알부민처럼 누출을 막는 물질이 부족할 때도 일어날 수 있습니다.

세포와 조직의 두 부종 모두 관류를 상당히 방해할 수 있습니다. 허혈이나 다른 원인으로 혈관이 손상된 크라이오닉스 환자에게서 흔히 문제가 됩니다. 세포 안팎의 삼투 균형을 유지하는 일은 혈관 안팎의 액체 균형인 교질삼투 균형을 유지하는 일만큼 중요합니다.

세포내액과 세포외액의 등장성은 상당 부분 세포막의 나트륨 펌프가 유지합니다. 이 펌프는 칼륨 이온 두 개를 세포 안으로 들여오는 동안 나트륨 이온 세 개를 밖으로 내보냅니다. 세포 단백질은 간질액 단백질보다 삼투 작용이 활발합니다. 도난 효과 때문에 세포 팽창을 막으려면 나트륨 펌프가 필요합니다. 허혈로 펌프의 에너지가 끊기면 나트륨이 물을 칼륨보다 강하게 끌어당기므로 세포 안의 나트륨이 지나치게 많아지고 세포가 팽창해 부종이 생깁니다. 염증도 세포막의 나트륨 및 다른 이온 투과성을 높여 세포 팽창을 일으킬 수 있습니다. 허혈이나 염증으로 모세혈관 투과성이 높아지면 혈장의 큰 용질이 간질 공간으로 누출되어 간질 부종이 생길 수 있습니다.

나트륨 펌프에 관한 자세한 내용은 「막전위, 칼륨/나트륨 비율과 생존 가능성」을 참고하세요.

뇌의 시상하부 근처에는 혈액뇌장벽 바깥에서 혈액의 오스몰랄농도를 감시하는 삼투수용체가 있으며, 정상 범위는 280~295mOsm/kgH₂O입니다. 혈장 삼투압이 2% 올라가도 갈증이 유발될 수 있습니다. 오스몰랄농도의 상승은 혈액량이 지나치게 줄었다는 신호일 수 있습니다. 이를 보상하기 위해 뇌하수체 후엽은 8-아르기닌 바소프레신(AVP)을 분비합니다. AVP는 혈관의 V1 수용체에 작용해 혈관을 수축시키므로 ‘바소프레신’, 신장의 V2 수용체에 작용해 물을 보유하므로 ‘항이뇨호르몬’이라는 두 이름을 가집니다. AVP 분비가 부족하면 과도하게 배출되는 소변에 맛이 없다는 의미의 요붕증이 생길 수 있습니다. 이는 당뇨병에서 포도당이 섞여 단맛이 나는 소변과 구분됩니다. 코르티솔은 배설에 대한 AVP의 작용을 억제해 탈수와 과도한 배뇨를 일으킵니다. 신장 혈류가 감소하면 레닌 분비가 자극되고, 레닌은 안지오텐신 생성을 촉진합니다. 안지오텐신도 AVP처럼 혈관 수축과 신장의 수분 보유를 일으킵니다.

실험적 국소 허혈을 일으킨 쥐에게 AVP 길항제를 투여하자 부종이 줄었습니다 [STROKE; Shuaib,A; 33(12):3033-3037 (2002)]. 실험용 쥐에서 고장성 식염수(7.5%)는 혈장 AVP 수치를 절반으로 낮췄지만 만니톨(20%)은 영향을 주지 않았습니다 [JOURNAL OF APPLIED PHYSIOLOGY; Chang,Y; 100(5):1445-1451 (2006)]. 요소나 글리세롤 때문에 혈장 오스몰랄농도가 높아진 경우에도 혈장 AVP 수치는 변하지 않았습니다 [JOURNAL OF THE AMERICAN SOCIETY OF NEPHROLOGY; Verbalis,JG; 18(12):3056-3059 (2007)]. 크라이오닉스 환자에서는 호르몬의 분비와 이동이 거의 없으므로, 고장성 식염수가 AVP 관련 삼투성 부종에 미치는 효과도 거의 없을 것입니다. 따라서 임상시험에서 관찰된 고장성 식염수의 만니톨 대비 이점 일부는 크라이오닉스 사례에는 적용되지 않을 것입니다.

정수압과 교질삼투압에 의해 액체가 모세혈관 막을 통과하는 순이동은 스탈링 방정식으로 설명할 수 있습니다. 모세혈관 정수압이 간질액 정수압을 초과하는 양과, 모세혈관 교질삼투압이 간질액 교질삼투압을 초과하는 양의 관계에 모세혈관의 물 투과성을 반영한 것입니다. 살아 있는 정상인에서는 모세혈관의 동맥 쪽 끝의 정수압, 즉 혈압이 약 35mmHg입니다. 모세혈관을 따라 선형으로 감소해 세정맥 쪽 끝에서는 약 15mmHg가 됩니다. 모세혈관 내부의 순 교질삼투압은 전체 길이에 걸쳐 약 25mmHg입니다. 따라서 앞쪽 절반에서는 정수압이 25mmHg로 떨어질 때까지 액체가 간질 공간으로 빠져나가고, 뒤쪽 절반에서는 간질 공간에서 모세혈관으로 들어옵니다. 앞부분의 유출은 조직으로 산소와 영양분을 전달하는 과정과 관련되고, 뒷부분의 유입은 간질 공간에서 이산화탄소와 다른 노폐물을 제거하는 과정과 관련됩니다.

실제로는 모세혈관 벽을 통한 전체 확산량과 비교할 때 아주 작은 순량의 액체가 모세혈관에서 간질액으로 빠져나가며, 림프계가 이를 혈관으로 되돌립니다. 림프관에는 한 방향으로만 열리는 판막이 있고, 골격근의 움직임을 이용해 림프액을 이동시킵니다. 감염으로 림프 흐름이 막히면 부종이 생길 수 있습니다. 장거리 여행처럼 오래 앉아 있거나 움직이지 않고 오래 서 있으면 근육 활동이 부족해 발목이 붓기도 합니다. 발목 부종은 울혈성 심부전에 따른 부종의 흔한 증상이기도 합니다. 심장이 정맥계에서 혈액을 끌어들이는 능력이 줄어 정맥압이 올라가는 반면, 동맥 쪽은 혈관 수축으로 압력을 더 잘 유지할 수 있습니다. 간경변 등 간 질환으로 알부민 생성이 줄면 혈장 삼투 작용이 감소하고 교질삼투압이 낮아져 발목 부종, 폐부종, 복부 부종인 복수가 나타날 수 있습니다.

혈액뇌장벽(BBB)의 스탈링 힘은 다른 신체 모세혈관과 다릅니다. 물 투과성인 수리전도도가 낮고 전해질 투과성도 훨씬 낮기 때문입니다. 이 경우 혈장과 간질액의 삼투압이 사실상 교질삼투압처럼 작용합니다.

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III. 점도와 난류

유체역학은 관 속 액체의 흐름을 층류와 난류로 구분합니다. 층류에서는 액체의 각 부분이 곧은 유선을 따라 흐르며, 관 중심의 속도가 가장 빠르고 벽 가까이에서 가장 느립니다. 난류에는 소용돌이와 혼란스러운 움직임이 생겨 저항이 크게 증가하고 유량이 감소할 수 있습니다. 레이놀즈 수는 흐름이 층류인지 난류인지 예측하기 위해 경험적으로 정한 무차원 수치입니다. 난류가 나타나는 대략적인 하한은 2,000입니다. 일시적이고 국소적인 난류는 1,600에서도 발생할 수 있지만, 시간적으로 지속되는 난류는 2,040을 넘을 때 형성됩니다 [SCIENCE; Eckhart,B; 333:165 (2011)].

난류가 관류 속도를 낮추거나 일정한 관류 속도를 유지하는 데 필요한 압력을 높인다면 크라이오닉스에 문제가 될 수 있습니다. 그러나 실제 크라이오닉스 관류에서 난류가 역할을 하기는 어려울 것입니다. 체온 37°C에서도 레이놀즈 수가 2,000을 넘는 곳은 가장 큰 혈관인 대동맥과 대정맥뿐입니다.

레이놀즈 수는 다음과 같이 계산합니다.

지름 D가 분자에 있다는 것은 지름이 큰 혈관에서만 레이놀즈 수가 커진다는 뜻입니다. 역시 분자에 있는 속도 v는 대동맥과 동맥에서 가장 높습니다. 그러나 동결보호제의 사용과 온도 저하에 따른 점도 μ의 증가는 크라이오닉스 환자에게 난류가 생기지 않을 것임을 사실상 보장합니다.

크라이오닉스에서 더 중요한 것은 유량과 이를 일으키는 압력의 관계를 설명하는 하겐–푸아죄유 법칙입니다.

보통 크라이오닉스에서 압력이 약 80mmHg일 때 유량은 분당 1~2리터입니다. 그러나 유량은 점도에 반비례하고 압력에 비례하므로, 온도가 내려가 동결보호제의 점도가 높아질 때 유량을 유지하려면 압력을 높여야 합니다. 낮은 온도에서는 혈관이 더 약해지기 때문에 이는 심각한 문제입니다. 혈관이 파열되면 관류가 실패할 수 있습니다.

20°C에서 글리세롤의 밀도 ρ는 물보다 약 25% 높지만, 점도의 영향은 훨씬 극적입니다. 분모에 들어가는 높은 점도가 레이놀즈 수를 크게 낮춥니다. 물의 점도는 37°C에서 10°C로 내려갈 때 대략 두 배가 되지만, 글리세롤은 대략 4포아즈에서 40포아즈로 약 열 배가 됩니다. 37°C에서 글리세롤은 물보다 거의 600배 점성이 크고, 10°C에서는 약 2,600배입니다.

따라서 크라이오닉스에서 난류는 걱정할 문제가 아니지만, 온도가 낮아지면서 동결보호제의 점도가 올라가는 현상은 분명한 문제입니다. 다행히 새로운 유리화 혼합물은 글리세롤보다 점도가 낮습니다.

크라이오닉스에서 가장 흔히 사용한 전략은 환자를 37°C에서 10°C로 가능한 한 빨리 냉각하고, 10°C에서 동결보호제로 관류하는 것입니다. 체온이 내려가면 대사가 크게 감소해 조직을 살아 있게 유지하는 데 필요한 산소와 영양분도 줄어듭니다. 동결보호제의 독성도 온도와 함께 낮아집니다. 하지만 온도가 낮아질수록 동결보호제의 점도가 지수적으로 증가하는 것보다 더 빠르게 상승해 효과적인 관류에 상당한 장애가 됩니다. 개방 회로 관류에서는 세포로 확산할 수 있는 시간이 약 2시간, 즉 머리 1시간과 신체 1시간으로 제한되므로 더 높은 온도가 유리할 수 있습니다. 다만 허혈성 손상은 정량화하기 어렵습니다.

폐쇄 회로 관류에서는 시간이 최대 5시간으로 더 깁니다. 동결보호제에 적절한 운반 용액을 쓰면 조직에 충분한 영양분을 공급할 수 있습니다. 이는 낮은 온도의 물이 산소를 운반하는 능력과 함께 허혈성 손상을 제한하면서 세포가 동결보호제를 충분히 받아들일 시간을 확보할 수 있습니다. 관류 과정에서 허혈성 손상을 안정적으로 막을 수 있다면 온도를 선택할 때 핵심 쟁점은 낮은 온도에서 줄어드는 동결보호제 독성과 증가하는 냉각 손상의 상대적인 이점입니다. 허혈 위험이 최소화된다면 온도가 내려갈수록 급격히 늘어나는 점도 때문에 관류 시간이 길어져도 문제가 되지 않을 것입니다.

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IV. 혈액 세척 및 치환

크라이오닉스 환자는 보통 시설에서 상당히 먼 곳에서 사망하므로 동결보호제를 관류하기 전에 운송해야 합니다. 혈액을 씻어내고 링거액처럼 식염수와 삼투적으로 같은 등장액으로 대체할 수 있습니다. 이후 환자를 얼음물 온도에서 시설로 운송합니다. 얼음 결정은 세포와 혈관을 손상시켜 효과적인 동결보호제 관류를 막으므로 동결은 피해야 합니다. 조직에는 염분이 있어 어는점이 0°C 아래이므로 얼음물 온도에서는 조직이 얼지 않습니다.

체온이 10°C에 가까워질수록 대사율은 크게 낮아지고 혈액 헤모글로빈의 산소 운반 능력이 더는 필요하지 않습니다. 오히려 낮은 온도에서는 차가운 물에 녹아 있는 산소만으로도 충분할 수 있습니다. 어는점에 가까운 물은 끓는점에 가까운 물보다 용존 산소를 거의 세 배 담을 수 있습니다. 산소는 질소보다 물에 약 다섯 배 잘 녹습니다. 낮은 온도에서는 혈액이 뭉쳐 혈관을 막는 경향이 심각해지므로, 지연이나 재관류 손상 같은 다른 문제가 없다면 혈액을 치환해야 합니다.

하지만 운송을 위해 혈액을 식염수와 비슷한 용액으로 바꾸는 것만으로는 조직의 생존성을 유지하거나 부종을 막기 어렵고, 재관류 손상을 일으킬 가능성도 있습니다. 이 때문에 링거액 대신 Viaspan® 같은 장기 보존액을 사용해 왔습니다. 혈액은 혈구를 운반하는 단순한 등장액이 아닙니다. 혈액 속 알부민은 물을 끌어당겨 물이 혈관을 떠나 조직으로 가지 않도록 하며 교질삼투 균형을 유지합니다. 물 때문에 부은 조직은 동결보호제 관류에 저항합니다. Viaspan®의 부종 방지 성분 중 가장 중요한 것은 알부민처럼 물을 끌어당기는 히드록시에틸전분(HES)입니다. HES는 물을 혈관 안에 붙잡아 두는 교질삼투 성분입니다. Viaspan®에는 삼투 균형 유지를 돕는 락토비온산칼륨도 들어 있습니다. HES는 구하기 어렵고 미세순환 장애를 일으킬 수 있어 장기 보존액에서 폴리에틸렌글리콜(PEG)로 대체해 좋은 결과를 얻었습니다 [THE JOURNAL OF PHARMACOLOGY AND EXPERIMENTAL THERAPEUTICS; Faure,J; 302(3):861-870 (2002); LIVER TRANSPLANTATION; Bessems,M; 11(11):1379-1388 (2005)].

다만 허혈성 내피 손상이 흔한 크라이오닉스 환자에게도 같은 이점이 적용되지는 않을 수 있습니다. 혈관에 더 큰 ‘구멍’이 생겼다면 교질삼투 작용을 유지하는 데 더 큰 분자가 필요합니다. HES의 분자량은 약 500,000인 반면 장기 보존액의 PEG는 약 20,000입니다. 정상 생리에서 교질삼투 작용의 대부분을 담당하는 알부민의 분자량은 약 70,000입니다. 분자량 500,000의 PEG는 점도가 지나치게 높아 젤을 형성합니다. HES는 교질삼투 작용을 확실히 제공할 만큼 크면서도 같은 분자량의 PEG보다 점도가 훨씬 낮습니다.

Viaspan®(DuPont Merck Pharmaceuticals)에는 포도당과 글루타티온처럼 조직 생존성을 유지하는 다른 성분도 있습니다. 전체 조성은 Viaspan® 웹사이트에서 확인할 수 있습니다. Viaspan®은 간·신장·췌장의 보존에 대해 FDA 승인을 받았으며 심장·폐 이식에는 허가 외 용도로 사용됩니다. 이 모든 용도에서 Hypothermosol(Cryomedical Sciences, BioLife Technologies) 계열 보존액과 시장 경쟁을 하고 있습니다.

Alcor와 CI KOREA는 값비싼 상용 제품 대신 제리 리프와 마이크 다윈이 개발한 MHP-2 보존액을 사용합니다. MHP-2라는 이름은 세포외 삼투 성분인 만니톨(M)과 저온에서 효과적으로 산증을 막는 완충제 HEPES(H)를 함유한 관류액(P)이라는 뜻입니다. 조직 생존성을 유지하는 성분과 부종을 막는 교질삼투 성분인 HES도 들어 있습니다. 락토비온산염은 만니톨보다 세포 침투가 느려 삼투 균형을 더 오래 유지할 수 있지만, 만니톨이 훨씬 저렴합니다. 만니톨은 뇌에서도 추가적인 작용을 합니다. 뇌 모세혈관 내피세포의 독특하게 촘촘한 접합부인 혈액뇌장벽 때문에 만니톨은 혈관을 거의 벗어나지 못합니다. 그러므로 뇌에서는 교질삼투 성분처럼 작용할 수 있습니다. 혈액뇌장벽이 온전하면 만니톨이 혈관 바깥 공간에서 물을 빼냅니다. 만니톨이 이런 효과를 내는 곳은 뇌뿐이며, 따라서 혈액뇌장벽에 광범위한 허혈성 손상이 없을 때 뇌부종 억제에 효과적입니다. 만니톨에는 수산화 라디칼을 제거하는 또 다른 이점도 있습니다 [CHEM.-BIOL. INTERACTIONS 72:229-255 (1989)].

MHP-2 조성은 CryoMsg 4474의 표 II 또는 CryoMsg 2874의 표 VII에 있으며, 후자의 표 V에는 Viaspan의 조성도 있습니다.

초기 관류액에는 환자의 손상을 줄이기 위한 다른 성분도 넣을 수 있습니다. 항응고제는 응고 문제를 줄이고 항생제는 세균 손상을 줄입니다. 항산화제, 산성화 억제제, 철 킬레이트제, 칼슘 통로 차단제는 허혈의 손상 효과를 낮출 수 있습니다.

Alcor와 CI KOREA는 모두 비행기에 쉽게 실을 수 있는 장비로 이루어진 항공 운송형 관류(ATP) 시스템을 사용해 시설에서 먼 곳에서도 혈액을 세척합니다. YouTube에는 ATP 시연 영상이 있습니다.

장기 보존액의 자세한 내용은 「장기 이식용 용액」을 참고하세요.

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V. 동결보호제의 확산

크라이오닉스에서는 얼음 형성을 방지해 동결 손상을 줄이기 위해 동결보호제를 사용합니다. 세포는 동결보호제보다 물을 훨씬 잘 통과시킵니다. 예를 들어 혈소판과 과립구는 글리세롤보다 물을 4,000배 잘 통과시킵니다 [CRYOBIOLOGY; Armitage,WJ; 23(2):116-125 (1986)]. 고농도 동결보호제에 세포를 노출하면 삼투 때문에 물이 급히 빠져나가 세포가 수축합니다. 동결보호제가 세포막을 지나 안으로 들어가는 과정은 훨씬 느립니다. 분리된 세포에서 과립구 안의 글리세롤 농도와 가능한 최대 농도의 차이가 절반으로 줄어드는 반감 시간은 1.3분입니다 [EXPERIMENTAL HEMATOLOGY; Dooley,DC; 10(5):423-434 (1982)]. 그러나 조직과 장기는 세포에 접근하기 어려워 더 오래 걸립니다. 평형에 도달한 뒤에도 호중구 안의 글리세롤 농도는 세포 밖 농도의 78%를 넘지 않습니다.

1.5몰 DMSO 용액에 넣은 성숙한 사람 난모세포 도표에서 보듯 수축·재팽창 주기는 온도에 큰 영향을 받습니다. 낮은 온도일수록 회복이 느리고 부피 변화가 큽니다 [HUMAN REPRODUCTION; Paynter,SJ; 14(9):2338-2342 (1999)]. 동결보호제는 높은 온도에서 독성이 더 강하므로 크라이오닉스에서는 온도 선택이 어렵습니다.

배양한 신장 세포의 증식은 요소와 NaCl에 의한 오스몰랄농도가 300mOsm/kgH₂O를 넘으면 농도에 비례해 감소하지만, 글리세롤을 추가했을 때 세포 성장에 미치는 영향은 훨씬 작습니다 [AMERICAN JOURNAL OF PHYSIOLOGY; Michea,L; 278(2):F209-F218 (2000)]. 생체 내에서 약 300mOsm/kgH₂O를 견디는 신장 세포가 시험관에서는 그 이상에서 살아남지 못하는 이유는 증식이 더 빠르기 때문일 수 있습니다 [PHYSIOLOGICAL REVIEWS; Burg,MB; 87(4):1441-1474 (2007)].

고농도 동결보호제에 노출된 세포는 삼투 스트레스로 손상될 수 있습니다. 실험에서는 전해질 손상, 동결보호제 독성, 세포 부피의 영향과 삼투 스트레스를 구분해야 하므로 손상을 정량화하기가 어려웠습니다. 마지막 두 항목을 구분할 때는 수축 자체가 일으키는 손상과, 동결보호제가 세포막을 통과하는 속도, 즉 막 투과성에 따른 손상을 나누어 볼 수 있습니다. 투과성이 낮은 동결보호제는 투과성이 높은 보호제보다 더 큰 삼투 스트레스를 일으킬 수 있습니다.

동결보호제를 포함한 여러 비전해질의 막 투과성은 사람 혈구를 비롯한 다양한 세포에서 연구되었습니다 [THE JOURNAL OF GENERAL PHYSIOLOGY; Naccache,P; 62(6):714-736 (1973)]. 투과성의 주요 결정 요인은 물질의 지용성(투과성을 높임)과 수소결합(투과성을 낮춤)입니다. 일반적으로 분자가 클수록 투과성은 낮아집니다. 혈구와 달리 사람 정자는 DMSO보다 글리세롤을 세 배 이상 잘 통과시킵니다 [BIOLOGY OF REPRODUCTION; Gilmore,JA; 53(5):985-995 (1995)]. 혈구와 정자 모두에서 에틸렌글리콜의 투과성은 다른 흔한 동결보호제보다 매우 높습니다. 그러나 성숙한 사람 난모세포에서는 흔히 쓰는 보호제 중 프로필렌글리콜이 가장 잘 통과하고 에틸렌글리콜이 가장 덜 통과합니다 [HUMAN REPRODUCTION; Van den Abbeel,E; 22(7):1959-1972 (2007)]. 사람 난모세포와 달리 쥐 난모세포에서는 에틸렌글리콜(EG)의 투과성이 DMSO·프로필렌글리콜(PG)·아세트아미드(AA)와 비슷하고 글리세롤(Gly)과는 다릅니다 [JOURNAL OF REPRODUCTION AND DEVELOPMENT; Pedro,PB; 51(2):235-246 (2005)].

물과 동결보호제 모두 낮은 온도에서 세포막을 더 느리게 통과합니다. 동결보호제는 물이 세포막을 지나는 속도도 낮춥니다. 글리세롤·DMSO·에틸렌글리콜은 모두 사람 정자막을 통한 물의 이동 속도를 절반 이하로 줄입니다 [BIOLOGY OF REPRODUCTION; Gilmore,JA; 53(5):985-995 (1995)].

동결보호제의 종류와 함께 중요한 것은 투여 방식입니다. 오랫동안 크라이오닉스의 표준 보호제였던 글리세롤은 처음부터 최고 농도로 투여하거나 농도를 단계적으로 높여 투여할 수 있습니다. 최적의 조건에서도 글리세롤은 80% 유리화와 20% 얼음 형성을 보입니다. 얼음을 만들지 않고 유리화할 수 있는 더 나은 보호제로 대체되었지만, 여기서는 글리세롤을 대표 사례로 사용하겠습니다. 삼투 손상 가능성이 있으므로 환자를 100% 글리세롤 또는 다른 동결보호제 용액으로 관류해서는 안 될 것입니다. 물은 동결보호제가 세포 안으로 들어가는 것보다 수천 배 빠르게 빠져나올 수 있으므로 낮은 농도에서 시작하는 편이 신중합니다. 동결보호제 농도를 서서히 올리는 램핑(ramping)은 이 속도 차이가 일으킬 손상을 막습니다.

다른 세포보다 삼투 스트레스나 수축에 취약한 사람 과립구도 0°C에서 600mOsm/kgH₂O의 고장액에 5분 노출되면 정상 부피의 68%까지 수축하지만, 막의 완전성을 잃는 세포는 10% 이하입니다. 그러나 NaCl은 약 750mOsm/kgH₂O, 자당은 약 950mOsm/kgH₂O에서 등장액으로 돌아왔을 때 막이 온전한 과립구는 절반 미만입니다. 고삼투액에 계속 두면 세포는 용해되지 않았고, 이후 600mOsm/kgH₂O 이하로 희석하지 않는다면 1,400mOsm/kgH₂O까지 견딜 수 있었습니다 [AMERICAN JOURNAL OF PHYSIOLOGY; Armitage WJ; 247(5 Pt 1):C373-381 (1984)]. 뒤이은 확인 연구에서도 NaCl로 수축한 PC3 세포의 재수화가 초기 탈수보다 더 큰 삼투 손상을 일으켰습니다 [CRYOBIOLOGY; Zawlodzka,S; 50(1):58-70 (2005)]. 재수화 후 생존율은 23°C보다 0°C에서 높았습니다.

22°C에서는 2M(중량비 17%) 글리세롤이 과립구에 뚜렷한 독성을 보이지만 0°C에서는 독성이 거의 보이지 않습니다 [CRYOBIOLOGY; Frim,J; 20(6):657-676 (1983)]. 다른 포유류 세포에서 2몰 글리세롤이 독성을 나타내는 경우는 없습니다. 그럼에도 0°C에서 0.5몰 글리세롤을 갑자기 첨가한 과립구는 등장액으로 천천히 희석하고 37°C까지 데웠을 때 40%만 살아남았습니다. 1몰이나 2몰을 갑자기 더하면 생존율은 둘 다 20%에 불과했습니다. 그러나 자당이나 NaCl로 과립구를 정상 부피의 60%로 수축한 상태로 유지하면 37°C까지 배양한 뒤에도 거의 모두 살아남았습니다. 글리세롤로 인한 일시적인 수축은 정상 부피의 85% 아래로 내려가지 않으므로, 세포 수축만으로 이 손상을 설명하기는 어려워 보입니다 [AMERICAN JOURNAL OF PHYSIOLOGY; Armitage WJ; 247(5 Pt 1):C382-389 (1984)].

사람 정자는 과립구보다 훨씬 높은 오스몰랄농도를 견딥니다. 0°C에서 1,000mOsm/kgH₂O의 고장액에 5분 노출되어도 세포막의 완전성을 잃는 세포는 10% 이하입니다. 등장 조건으로 되돌리면 NaCl 약 1,500mOsm/kgH₂O(흰 원) 또는 자당 약 2,500mOsm/kgH₂O(검은 원)에서 온전한 막을 가진 정자는 절반 미만입니다. 하지만 0°C에서 2,500mOsm/kgH₂O에 노출한 뒤 등장액으로 되돌리지 않고 고장 상태를 유지하면 NaCl과 자당 모두에서 약 80%의 막이 온전했습니다(삼각형). 22°C의 1.5몰 글리세롤에 노출한 뒤 서서히 등장액으로 되돌리면 정자의 3%만 용해되지만, 갑자기 되돌리면 20%가 용해됩니다. 등장액으로 돌아가지 않은 정자에는 용해가 없었습니다. 거의 5,000mOsm/kgH₂O의 글리세롤, 약 4.5몰에 노출하고 등장액으로 돌리지 않으면 0°C에서는 17%, 8°C에서는 10%의 정자가 막 완전성을 잃었습니다 [BIOLOGY OF REPRODUCTION; Gao,DY; 49(1):112-123 (1993)]. 극저온 보관 중 잠재적 생존성을 최대화하려는 크라이오닉스 목적에는 세포를 고장 상태로 유지하는 편이 가장 좋을 것입니다.

쥐 신장의 내수질 집합관(IMCD) 세포는 NaCl이나 요소가 700mOsm/kgH₂O이면 죽을 수 있지만, 이는 세포자멸사에 의한 것으로 최대 24시간이 걸립니다. IMCD 세포는 열충격 단백질을 포함한 상호 보완적인 방어 작용이 활성화되기 때문에 요소와 NaCl을 함께 사용하면 900mOsm/kgH₂O까지 견딜 수 있습니다 [AMERICAN JOURNAL OF PHYSIOLOGY; Santos,BC; 274(6):F1167-F1173 (1998)].

0°C에서 4몰(중량비 30%) DMSO를 빠르게 첨가해 약 3,600mOsm/kgH₂O에 해당하는 삼투 스트레스를 준 쥐 섬유아세포는 등장 조건으로 되돌린 뒤 거의 절반에서 세포막 용해가 나타났습니다. DMSO를 천천히 첨가한 세포에서는 손상이 거의 없었습니다 [BIOPHYSICAL JOURNAL; Muldrew,K; 57(3):525-532 (1990)].

사람 각막 상피세포는 오스몰랄농도를 약 13분마다 두 배로 높이는 램핑 방식으로 4°C에서 4.3M(중량비 37%) 글리세롤을 처리하면 손실이 2%에 불과했습니다. 반면 0°C에서 2M(17%)부터 3.5M(30%)까지 5분마다 0.5M씩 올리는 단계식 처리는 세포 손실이 27%였습니다. 같은 램핑 방식의 DMSO에서는 2M(15%)일 때 세포 손실이 6%, 3M(23%)일 때 15%였습니다. 같은 단계식 DMSO 처리에서 2M에서 3.5M(27%)로 올리면 손실이 1.5%, 2M에서 4.3M(33%)까지 올리면 22%였습니다. 모든 생존성은 세척 후 37°C에서 3일 배양한 다음 평가했습니다 [CRYOBIOLOGY; Bourne,WM; 31(1):1-9 (1994)]. 글리세롤의 몰농도를 중량비 백분율로 바꿀 때는 대략 8.6, DMSO는 7.6을 곱했습니다.

크라이오닉스에서는 세포를 체온으로 되돌리지 않으며 극저온 보존에 앞서 반드시 등장 상태로 되돌릴 필요도 없다는 점을 기억해야 합니다. 세포자멸사가 일어날 시간은 거의 없고, 낮은 온도와 고삼투액에서 대부분의 세포가 훨씬 잘 보존될 것입니다. 미래 기술은 세포자멸사를 막고 대체할 수 없는 세포를 정상 온도와 오스몰랄농도로 되돌리는 더 나은 방법을 제공할 수 있습니다. 뉴런의 경우 동결보호제를 갑자기 단계적으로 관류해도 혈관벽인 혈액뇌장벽과 간질 공간을 통과하는 데 걸리는 확산 시간을 고려하면 사실상 램핑 관류가 될 가능성이 큽니다. 관류의 관점에서 더 우려되는 것은 동결보호제가 혈관 내피세포에 미치는 영향, 특히 부종과 혈관의 변형 가능성입니다.

세포가 수축할 때 세포골격의 구조적 저항과 세포 구성 성분의 강한 압축 때문에 세포와 세포막이 직접 손상될 수 있습니다 [HUMAN REPRODUCTION; Gao,DY; 10(5):1109-1122 (1995)]. 막 손상 외에도 세포 탈수 후 세포내 단백질의 교차결합 같은 손상이 고장 환경에서 일어납니다. 황소 정자는 막 손상을 일으키는 농도보다 낮은 고장 농도에서도 운동성을 잃으며, 그 손실은 일시적인 경우가 많습니다 [JOURNAL OF DAIRY SCIENCE; Liu,Z; 81(7):1868-1873 (1998)]. 삼투 스트레스는 미토콘드리아 막전위를 낮출 수 있지만 등장 상태로 돌아간 뒤 대부분 회복됩니다 [PROCEEDINGS OF THE NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES (USA); Desai,BN; 99(7):4319-4324 (2002)]. 600mOsm/kgH₂O 자당에 노출된 사람 난모세포에서는 감수분열 중기 II 방추체의 44%에 이상이 나타났습니다 [HUMAN REPRODUCTION; Mullen,SF; 19(5):1148-1154 (2004)]. 고장액은 세포자멸사를 유발할 수도 있습니다 [AMERICAN JOURNAL OF PHYSIOLOGY; Copp,J; 288(2):C403-C415 (2005)].

고오스몰랄농도가 일으키는 이런 손상 가운데도 크라이오닉스의 동결보호제 관류에서 가장 큰 위험은 막 손상과 세포 팽창에 따른 부종입니다. 등장 상태로 되돌리는 것보다 고장 상태를 유지하는 것이 세포 보호에 유리하다는 증거와 관류 중 부종을 최소화해야 한다는 필요성을 고려하면, 고장 조건에서 관류하는 편이 적절해 보입니다.

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VI. 동결보호제 관류

환자가 크라이오닉스 시설에 도착하면 운송 용액을 동결보호제 용액으로 교체할 수 있습니다. 관류 온도 10°C는 더 낮은 온도에서 점도가 높아지는 문제를 피하면서도 더 높은 온도에서 일어나는 허혈성 조직 열화, 냉각 손상과 동결보호제 독성을 제한하는 절충점입니다. 크라이오닉스 관계자들은 미래의 분자 수리 기술로 허혈 손상을 복구하기가 동결보호제 독성보다 더 어려울 것이라고 생각해 허혈 손상을 더 우려하는 편입니다.

동결보호제는 세균 증식을 막도록 멸균해야 합니다. 가열 멸균을 하면 탄소–탄소 이중결합이 생겨 용액이 노랗게 변할 수 있습니다. 이중결합이 소량만 생겨도 노란빛을 띠므로 변색 자체가 보호제를 사용할 수 없다는 증거는 아닙니다. 다만 0.2마이크론 필터로 여과하는 편이 더 바람직한 멸균 방법입니다.

동결보호제를 급격히 첨가하면 내피세포가 수축해 세포 사이의 접합부가 벌어집니다 [CRYOBIOLOGY; Pollock,GA; 23(6):500-511 (1986)]. 반면 고장성 관류액으로 인한 내피세포 수축은 모세혈관 내부 공간을 넓혀 혈류를 늘릴 수도 있습니다. 지나친 혈관 손상이 일어나지 않는다는 조건에서입니다. 크라이오닉스 관류 중에는 혈액과 혈전이 떨어져 나오는 일이 자주 관찰됩니다. 어느 정도의 혈관 손상은 확산을 늘리고 미래에 혈관을 복구하기 쉬울 수 있다는 점에서 오히려 유리할 수도 있습니다. 실제로 뇌 관류에는 1.8~2.2몰 글리세롤 범위에서 혈액뇌장벽이 열리는 것이 필수적입니다. 단, 조직에 해로운 부종은 피해야 합니다. 혈액뇌장벽에서 물 통로인 아쿠아포린의 발현을 조절하면 동결보호제를 뇌에 넣는 더 안전한 방법이 될 수 있습니다 [CRYOBIOLOGY; Yamaji,Y; 53(2):258-267 (2006)].

폐쇄 회로 관류는 관류액이 환자의 몸 안팎을 순환하는 방식으로, 장의사가 방부 처리에 쓰는 개방 회로 관류와 대비됩니다. 개방 회로 방부 처리에서는 사체의 큰 동맥으로 액체를 주입해 큰 정맥의 혈액을 밀어내고 이를 버립니다.

아래 도해처럼 폐쇄 회로 관류는 큰 비용을 들이지 않고도 환자에게 동결보호제를 서서히 투입하도록 구성할 수 있습니다. 회로는 심장을 우회합니다. 관류액은 다리의 대퇴동맥에 꽂은 캐뉼라로 환자에게 들어가 같은 다리 대퇴정맥의 캐뉼라로 나옵니다. 대퇴동맥에서 하행 대동맥을 거슬러 위로 흐른 관류액은 보통 혈액이 심장을 떠나는 대동맥궁에 이르지만 심장으로는 들어가지 못합니다. 대신 대동맥의 분지 동맥을 따라 정상 방향으로 머리와 뇌 등에 흐릅니다. 정맥을 통해 정상 방향으로 돌아온 뒤에도 심장을 우회해 대퇴정맥까지 아래로 흐르고 체외로 나옵니다. 대퇴 회로보다 나은 대안은 가슴을 외과적으로 열어 대동맥을 유입로, 심방을 유출로로 삽관하는 것입니다.

도해에는 표시하지 않았지만 압력과 액체 흐름을 유지할 펌프가 회로에 들어갑니다. 방부 처리용 펌프보다 롤러 펌프를 사용해야 합니다. 롤러 펌프는 유연한 관 바깥의 롤러가 관을 눌러 내부 액체를 오염시키지 않고 밀어냅니다. 방부 처리용 펌프는 크라이오닉스에 적합한 수준보다 훨씬 높은 압력을 사용해 혈관을 손상시킬 수 있습니다. 필터를 사용하지 않으면 쉽게 오염되고 세척하기도 어렵습니다. 방부 처리에서는 오염이 큰 문제가 아니지만, 크라이오닉스에서는 펌프에서 들어온 오염 물질이 혈관을 손상시켜 관류를 방해합니다. 방부 처리용 펌프를 쓴다면 압력을 적절한 수준으로 낮출 수 있는지 확인하고 세척·멸균해야 합니다. 그러나 롤러 펌프의 가장 큰 장점은 방부 처리용 펌프가 개방 회로인 반면 폐쇄 회로를 제공한다는 것입니다. 롤러 펌프의 성능은 보통 분당 리터로 표시합니다. 용액 점도에 따라 생리적 압력인 약 80~120mmHg를 얻으려면 분당 0.5~1.5리터가 필요합니다.

기체와 입자로 이루어진 미세색전은 모세혈관과 세동맥에 허혈을 일으킬 수 있습니다. 일반적인 심폐우회 수술 환자를 연구한 결과, 동맥 관에 40마이크로미터 필터를 사용하면 수술 8주 뒤 신경심리학적 장애가 있는 환자가 16% 적었습니다 [STROKE; Pugsley,W; 25(7):1393-1399 (1994)]. 롤러 펌프와 원심 펌프는 모두 마모로 직경 25마이크로미터까지 입자를 만들 수 있지만 원심 펌프가 더 적게 만듭니다 [PERFUSION; Merkle,F; 18(suppl 1):81-88 (2003)]. 관류 전에 0.2마이크로미터 필터로 관류액을 거르면 세균을 포함한 잠재적인 미세색전을 제거할 수 있습니다. 실온에서 지름 20마이크로미터의 공기 방울은 1~6초 만에 물에 녹지만 높은 유량과 난류는 미세기포 형성을 늘릴 수 있습니다 [SEMINARS IN DIALYSIS; Barak,M; 21(3):232-238 (2008)]. 관류 전에 관 속 공기를 제거하면 기포가 환자에게 들어갈 가능성이 크게 줄어듭니다 [THE THORACIC AND CARDIOVASCULAR SURGEON; Stock,UA; 54(1):39-41 (2006)].

정상 성인의 평균동맥압(MAP)은 50~150mmHg 범위이며, 뇌관류압(CPP)도 같은 범위로 봅니다 [BRITISH JOURNAL OF ANAESTHESIA; Steiner,LA; 91(1):26-38 (2006)]. 혈관압은 세동맥에서 보통 약 40mmHg, 모세혈관 입구에서 30mmHg 미만으로 떨어지고 심장 우심방으로 돌아올 때 중심정맥압(CVP)은 3~6mmHg입니다. 크라이오닉스 환자를 약 120mmHg로 관류하면 약한 혈관을 손상시키지 않으면서 모세혈관을 충분히 열어 조직에 동결보호제를 잘 포화시킬 수 있을 것입니다.

환자 밖에서는 유출액의 일부를 버리고 대부분을 교반되는 순환 저장조로 되돌립니다. 이 저장조는 농축 동결보호제 저장조와 연결됩니다. 순환 저장조는 처음에는 운반 용액이지만 교반과 재순환이 진행되면서 동결보호제 농도가 점차 높아집니다. 바닥의 자기 교반자나 윗부분의 거품기 형태 장치로 섞을 수 있습니다. 교반으로 농축액 저장조의 동결보호제가 유입되고, 관류액을 펌프질하는 과정에서도 농축액이 적극적으로 끌려와야 합니다. 그 결과 관류액의 보호제 농도가 점진적으로 높아져 최고 농도 보호제가 일으킬 삼투 충격을 피할 수 있습니다.

동결보호제의 운반 용액은 운송 용액과 비슷한 조직 보존 기능을 수행해야 합니다. 세포가 탈수되거나 팽창·파열할 수 있는 등장성의 변화를 피하도록 보호제와 신중하게 섞어야 합니다. 운반 용액은 관류하는 동안 세포의 생존을 돕습니다.

크라이오닉스에 적합한 운반 용액으로 RPS-2(신장 보존액 2호)가 있습니다. 그레고리 파히 박사가 신장 절편 연구를 바탕으로 1981년에 개발했습니다. 이후 파히 박사는 해마 절편의 극저온 보존에 RPS-2를 운반 용액으로 사용했으며, 이는 신장뿐 아니라 뇌 조직에도 적합하다는 점을 보여줍니다. RPS-2는 해마 절편의 생존성 유지를 도울 뿐 아니라 자체적인 동결보호 총괄성 덕분에 필요한 보호제의 양도 줄입니다. 조성은 K₂HPO₄ 7.2mM, 환원 글루타티온 5mM, 아데닌 HCl 1mM, 포도당 180mM, KCl 28.2mM, NaHCO₃ 10mM, 칼슘과 마그네슘입니다 [CRYOBIOLOGY; Fahy,GM; 27(5):492-510 (1990)]. LM5(락토스–만니톨 5)는 얼음 차단제를 포함한 유리화 용액용 운반 용액입니다. 얼음 차단제의 작용을 방해하는 것으로 여겨지는 포도당은 넣지 않습니다.

동결보호제 저장조에는 원리상 순수한 보호제를 넣을 수도 있지만, 일반적으로는 최종 목표 농도와 같거나 약간 높은 ‘종말 농도’의 용액을 넣습니다. 관류가 진행되며 일부 유출액을 버리면 두 저장조의 액면이 함께 낮아집니다. 두 저장조가 거의 비었을 때 회로의 농도는 동결보호제 저장조의 농도에 도달합니다. 두 저장조의 크기와 높이가 같고 버리는 유출액의 속도가 일정하면 농도 기울기는 시간에 따라 선형이 됩니다.

동결보호제가 세포로 들어가려면 세포 주변에 보호제가 일정하게 노출되어야 하고, 그 노출을 유지할 압력이 필요합니다. 살아 있는 동물에서는 심장이 모세혈관으로 혈액을 밀어 넣고 영양분을 세포에 전달하는 혈압을 유지합니다. 혈압이 없는 사망한 동물을 동결보호제로 관류할 때도 모세혈관을 열어 두고 세포 주위의 보호제 농도를 높게 유지할 압력이 필요합니다.

Alcor는 글리세롤이 완전히 평형에 도달하려면 폐쇄 회로 관류를 5~7시간 유지해야 한다고 확인했습니다. 세포에서 물이 빠져나가는 속도가 글리세롤이 들어가는 속도보다 수천 배 빠르기 때문입니다. 물론 개방 회로로도 5~7시간 글리세롤을 주입할 수 있지만 수천 달러어치가 필요합니다. Alcor가 사용하는 새로운 유리화 보호제는 글리세롤보다 훨씬 비쌉니다. 따라서 값비싼 보호제는 폐쇄 회로로 재순환하는 편이 훨씬 타당합니다. 폐쇄 회로는 관류 중 환자 몸에서 일어나는 생리적 변화도 지속적으로 관찰할 수 있습니다. 값싼 보호제를 쓰는 개방 회로에는 독소를 재순환하지 않는 장점이 있습니다.

동결보호제, 특히 글리세롤은 점성이 높고 농도가 높을수록 더 그렇습니다. 보호제를 붓거나 섞는 동안 기포가 생기지 않게 해야 합니다. 환자에게 들어간 공기 색전이 관류를 막을 수 있기 때문입니다. 점성이 높은 보호제 용액에서 기포를 제거하기는 매우 어렵습니다. 치료보다 예방이 효과적입니다. 크라이오닉스 관계자인 마이크 다윈은 1994년 CryoNet 글에서 이 문제와 가능한 해결책을 다뤘습니다.

동결보호제가 많이 들어간 관류액을 잘못 섞으면 점도가 높은 것처럼 보이는 현상이 일어날 수 있지만, 실제 원인은 부종입니다. 예를 들어 등장성 운반 용액과 동결보호제 용액을 절반씩 섞어 개방 회로 관류를 하면 더는 관류액이 환자에게 들어가지 않아 멈춰야 할 수 있습니다. 점도가 아니라 등장액이 보호제로 희석되면서 저장액이 되어 세포가 팽창하기 때문입니다. 폐쇄 회로에서는 농축액 저장조에 등장성 운반 용액을 매개로 목표 종말 농도의 약 125%인 보호제를 넣습니다. 이 농축액이 등장성 운반 용액과 섞여도 긴장도가 변하지 않도록 하기 위한 것입니다.

새로운 동결보호제는 글리세롤보다 점도가 낮아 관류 시간을 줄일 수 있습니다. 운반 용액으로 15분 관류한 뒤 보호제 농도를 분당 50밀리몰씩 선형으로 높여 약 두 시간 후 최고 농도에 이르게 합니다. 이는 신장 관류의 삼투 손상을 최소화하도록 개발한 절차입니다. 유입·유출 보호제 농도가 비슷해져 세포로 충분히 확산했음을 확인할 때까지 한두 시간 더 관류합니다.

폐쇄 회로 관류를 몇 시간 수행한 뒤에야 환자에게서 나오는 동결보호제의 농도가 들어가는 농도와 같아집니다. 충분한 시간 동안 압력을 지속적으로 유지해야 모세혈관이 열린 상태를 유지하며 세포로의 보호제 확산을 돕습니다. 유출 농도가 유입 농도와 같아지는 것도 조직에 보호제가 충분히 들어갔을 때뿐입니다. 뇌에서 종말 보호제 농도에 도달했는지는 굴절계로 확인합니다.

굴절계는 액체의 굴절률, 즉 진공 또는 공기에서 빛의 속도와 그 액체에서의 빛의 속도의 비를 측정합니다. 빛이 두 매질의 경계를 비스듬히 통과할 때 속도가 변하면 진행 각도도 바뀝니다. 같은 단위를 가진 두 양의 비율이므로 굴절률에는 단위가 없습니다. 전기 아크의 나트륨 증기는 3s와 3p 궤도 사이의 들뜸을 통해 589nm의 황주황색 빛을 만듭니다. 요제프 프라운호퍼는 이를 ‘D선’이라고 불렀습니다. 나트륨 D선이 최초로 편리하게 사용할 수 있는 단색광이었으므로 굴절 측정의 표준이 되었습니다. 따라서 액체의 굴절률은 특정 온도에서 나트륨 D선 파장으로 측정한 1.3000~1.7000 사이의 정밀한 다섯 자리 숫자입니다. 예를 들어 25°C에서 글리세롤의 굴절률 nD25는 1.4730입니다.

개방 회로 관류가 물을 효과적으로 제거할 수 없다는 것이 사실이라면, 동결보호제를 넣는 일뿐 아니라 물을 제거하는 일에도 폐쇄 회로 관류가 필요할 수 있습니다.

폐쇄 회로는 개방 회로보다 시간이 오래 걸리므로 0°C보다 높은 온도에 머무르는 동안 손상이 더 커질 것으로 생각할 수도 있습니다. 그러나 대부분의 세포는 10°C에서 여전히 살아 있으며 대사는 매우 느립니다. Viaspan®, RPS-2 등의 장기 보존액은 0°C 근처에서 장시간 조직을 살아 있게 하도록 만들어졌으므로, 폐쇄 회로 관류에 필요한 시간도 감당할 수 있을 것입니다. 보호제의 농도를 천천히 높일 때 이온과 만니톨 또는 락토비온산염의 관류액 농도는 변하지 않도록 해야 합니다. 그렇지만 램핑은 삼투적으로 중립인 과정은 아닙니다. 보호제는 조직을 탈수시키기 때문입니다.

글리세롤 농도를 시간당 2~4몰씩 높이면 조직 전체로 충분히 확산할 만큼 느립니다. 세포에서 물이 확산해 수축한 뒤 글리세롤이 서서히 들어오면서 다시 팽창합니다. 글리세롤 램핑으로 혈관 내피세포가 탈수되면 혈관이 넓어져 관류가 쉬워집니다. 농도를 너무 천천히 높이면 내피세포가 글리세롤로 너무 빨리 채워져 혈관 확장의 이점이 사라집니다.

운반 용액에서 막을 통과하지 못하는 용질, 예를 들어 만니톨의 농도가 정상 세포내 농도인 약 300mOsm/kgH₂O보다 낮아지지 않도록 주의해야 합니다. 그 농도가 150mM처럼 저장성이면 글리세롤 농도와 관계없이 세포가 부피 두 배로 팽창합니다. 내피세포가 먼저 팽창해 관류를 심각하게 방해할 수 있습니다. 더 빠른 램핑은 내피세포를 탈수해 이 영향을 줄이겠지만 보호제가 조직 전체에 확산하기에는 지나치게 빠릅니다. 따라서 불투과성 용질의 운반 용액 농도를 적어도 300mOsm/kgH₂O, 아마도 600mOsm/kgH₂O 미만으로 유지하는 편이 좋습니다.

크라이오닉스에서 역사적으로 사용한 보호제는 글리세롤이지만, 위에서 설명한 관류 과정은 현재 사용하는 더 효과적인 보호제에도 대체로 같아야 합니다. 보호제 독성은 온도가 높을수록 커지지만 점도는 온도가 낮을수록 높아집니다. 따라서 높은 온도에서 관류해 침투를 빠르게 하는 이점과 그 온도에서 증가하는 독성 사이에 절충이 필요합니다. 다만 삼투 손상과 달리 독성은 구조적 손상보다 생화학적 손상으로 생존성에 영향을 주어 미래의 복구 관점에서는 우려가 덜할 수 있습니다. 운반 용액의 영양분과 산소로 허혈 손상은 작을 가능성이 있습니다. 그러나 높은 온도에서 시간을 더 보내면 구조적 손상이 늘어날 가능성도 있습니다.

일부 크라이오닉스 절차는 10°C에서 보호제 투입을 시작해 5°C에서 마칩니다. 가까운 시일 내 목표는 보호제 절반을 10°C에서, 나머지 절반을 −10°C에서 투입하는 것입니다. 보호제 혼합물에서 독성이 가장 낮은 성분은 먼저 높은 온도에서, 독성이 높은 성분은 낮은 온도에서 넣거나 온도가 내려감에 따라 전체 농도를 높이는 전략이 좋아 보입니다. 이 방식은 해마 절편 극저온 보존 프로젝트에서 성공적으로 사용되었습니다.

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VII. 머리 관류

전신이 아니라 머리를 관류할 때는 복잡한 혈관 구조와 특별한 조건 때문에 어려움이 있습니다. 큰 동맥 두 개(경동맥)와 작은 동맥 두 개(척추동맥)가 머리에 혈액을 공급하고, 머리에서 되돌아오는 정맥혈은 모두 경정맥을 지납니다. 경동맥과 척추동맥은 머리에서 윌리스 동맥고리로 연결되므로 척추동맥은 어느 정도 중복된 경로이며, 경동맥만 관류해도 뇌 전체를 관류할 수 있어야 합니다. 그러나 윌리스 동맥고리는 완전하지 않은 경우가 많습니다. 이 때문에 크라이오닉스에서는 경동맥과 척추동맥을 모두 통해 머리를 관류하기 위해 많은 노력을 기울였습니다.

한 방법은 흉골을 정중 절개해 가슴을 열고, 혈관이 갈라지기 전에 대동맥에 접근하는 것입니다. 하반신으로 이어지는 상행 대동맥과 팔로 이어지는 쇄골하동맥을 차단하면 상행 대동맥으로 투입한 관류액은 주로 경동맥과 척추동맥을 통해 머리와 목으로 갑니다. 쇄골하동맥을 차단하기가 항상 쉬운 것은 아니므로 팔의 관류를 막기 위해 지혈대를 쓰기도 했습니다. 이 방법에서는 상대정맥에 캐뉼라를 넣어 유출액의 굴절률을 측정함으로써 머리와 뇌에 유리화 용액이 얼마나 포화되었는지 확인할 수 있습니다. 상대정맥 삽관은 경정맥보다 쉽지만, 경정맥 각각의 굴절률을 측정하면 양쪽 뇌 반구의 포화도를 따로 감시할 수 있습니다.

머리만 보존하는 관류에서 Alcor는 현재 머리를 몸에서 분리해 독립적으로 관류합니다. 경동맥으로 관류액을 주입하고 경정맥 유출액을 수집·여과해 경동맥으로 재순환합니다. 척추동맥에서 관류액이 흘러나오지 않는 경우를 제외하면 별도로 척추동맥을 관류하려고 하지 않습니다. 유출이 없다면 윌리스 동맥고리가 불완전하다는 뜻이므로 척추동맥에도 캐뉼라를 넣어 관류합니다.

건강한 성인의 자기공명혈관영상 연구에서 완전한 윌리스 동맥고리는 42%에서만 나타났고 젊은 사람과 여성에게서 더 흔했습니다 [RADIOLOGY; Krabbe-Hartkamp,MJ; 207(1):103-111 (1998)]. 65~68세 건강한 지원자를 대상으로 한 연구에서는 47%가 완전했습니다 [JOURNAL OF CARDIOVASCULAR SURGERY; Macchi,C; 43(6):887-890 (2002)]. 동맥고리가 불완전한 영상 소견과 그곳에서 갈라지는 동맥의 혈류량 부족 사이에는 관련성이 관찰되었습니다 [AMERICAN JOURNAL OF NEURORADIOLOGY; Tanaka,H; 27(8):1770-1775 (2006)]. 전체 대상자의 33%에서 고리가 불완전했던 한 연구에서는 편두통 환자의 51%에서 불완전한 고리가 확인되었습니다 [HEADACHE; Bugnicourt,J; 49(6):879-886 (2009)]. 내경동맥이 막혔을 때 같은 쪽의 후교통동맥이 없으면 허혈성 뇌경색 가능성이 높아집니다 [NEW ENGLAND JOURNAL OF MEDICINE; Schomer,DF; 330(22):1565-1570 (1994)]. 반면 99명 중 59명에서 완전한 고리가 확인된 연구에서는 기능검사상 관류 부족 사례가 없었으며, 두개골 바깥의 측부순환이 뇌 교차 관류의 대안 경로라고 결론지었습니다 [EUROPEAN JOURNAL OF CARDIO-THORACIC SURGERY; Urbanski,PP; 33(3):402-408 (2008)]. 좋은 측부순환은 뇌졸중 환자에게 유리한 예후 인자입니다 [CURRENT CARDIOLOGY REVIEWS; Romero,JR; 5(4):279-288 (2009)].

윌리스 동맥고리와 환자 관류 문제를 더 자세히 살펴보려면 「크라이오닉스 관류에서의 윌리스 동맥고리」를 참고하세요.

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VIII. 혈액뇌장벽

동결보호제를 뇌에 전달하는 것은 크라이오닉스의 핵심 목표 중 하나이므로 혈장과 뇌 사이의 ‘장벽’을 이해하는 일이 매우 중요합니다.

모세혈관 벽을 통한 확산은 대부분의 물질이 혈류와 간질액, 즉 조직의 세포 사이 액체 사이에서 이동하는 방법입니다. 모세혈관은 얇은 기저막 위에 투과성이 높은 내피세포가 한 층 놓인 얇은 관입니다. 에탄올·니코틴·디아제팜 같은 지용성 분자와 산소·이산화탄소 같은 기체는 모세혈관 막을 직접 통과합니다. 인접한 내피세포 사이의 틈은 수용성 물질이 확산하도록 하고, 내피세포 벽에 있는 작은 창인 유창도 같은 역할을 합니다. 세포막 소포는 소포 운반인 음세포작용으로 물질을 막 건너편에 전달합니다. 간에서는 세포 사이 틈이 매우 넓어 혈장 단백질이 혈액에서 간 조직으로 직접 통과할 수 있습니다. 신장에서는 유창이 커서 물질이 세포 사이 틈을 지나지 않아도 사구체에서 걸러질 수 있습니다.

이와 달리 뇌 모세혈관의 내피세포는 세포 사이 틈이 없을 만큼 촘촘히 붙어 있습니다. 대신 세포 내부 신호에 반응하는 여러 막단백질이 조절하는 밀착연접이 있습니다. 밀착연접은 전기 저항이 높아 이온을 막습니다. 뇌 모세혈관 내피세포에는 유창이 없으며 음세포작용도 거의 또는 전혀 일어나지 않습니다 [PHARMACOLOGICAL REVIEWS; Hawkins,BT; 57(2):173-185 (2005)]. 이렇게 촘촘히 붙은 내피세포가 혈액뇌장벽(BBB)입니다. 더 정확하게는 혈류 쪽을 향한 내피세포의 내강측 막과 뇌 간질액 쪽을 향한 반대측 막, 그리고 그 사이 300~500나노미터의 내피세포 세포질로 구성됩니다 [NEURORX; Cornford,EM; 2(1):27-43 (2005)].

물, 작은 지용성 분자, 능동 수송되는 물질만 혈액뇌장벽을 통과합니다. 포도당·비타민·여러 아미노산은 능동 수송으로만 내피세포를 통과할 수 있기 때문에 BBB 내피세포에는 다른 내피세포보다 미토콘드리아가 2~4배 많습니다. 미토콘드리아는 전기화학적 기울기와 밀착연접 복합체를 유지하는 데도 기여합니다. 에너지원인 ATP 요구량이 높아 BBB는 허혈 손상에 특히 취약합니다 [AMERICAN JOURNAL OF PHYSIOLOGY; Witt,WA; 285(6):H2830-H2831 (2003)].

뇌혈관 내피세포를 연결하는 밀착연접을 BBB의 핵심 부위라고 할 수 있습니다. 이를 결합하는 클라우딘과 오클루딘 막단백질은 세포내 세포골격 및 다른 단백질과 연결됩니다. 뇌의 암성 신경교세포인 신경교종은 혈관내피성장인자(VEGF)를 훨씬 많이 분비해 오클루딘 생성을 줄이고 혈관 투과성을 높여 부종을 일으킬 수 있습니다. 글루코코르티코이드 치료는 악성 신경교종에서 VEGF 발현을 낮추는 것으로 확인되었습니다 [JOURNAL OF CLINICAL INVESTIGATION; Heiss,JD; 98(6):1400-1408 (1996)]. 뇌졸중 발생 후 6시간 안에 허혈 부위의 가장자리 저산소 상태는 VEGF 발현을 유도하며, 이는 부종과 혈관 재생을 일으킵니다 [NATURE; Weis,SM; 437:497-503 (2005)].

BBB는 혈류가 다른 신체 부위에 제공하는 화학적 환경보다 다소 안정적이고 독립적인 환경을 뇌에 제공합니다. 식사나 호르몬 분비 등으로 혈중 이온·아미노산·당·호르몬 농도가 변해도 뇌를 보호합니다. 뇌에서 신경전달물질로 작용하는 글리신과 GABA(감마아미노부티르산)를 포함한 여러 아미노산의 유입도 크게 제한합니다. 글루타민과 글루탐산의 선택적 수송은 BBB의 내강측 막에서는 일어나지만 반대측 막에서는 일어나지 않아 뇌에서 이 아미노산을 제거하는 데 도움이 됩니다 [PHARMACOLOGICAL REPORTS; Bernacki,J; 60(5):600-622 (2008)]. 부신수질에서 혈류로 분비되는 노르에피네프린은 뇌 활동에 큰 영향을 미칠 수 있지만, 극성 분자여서 BBB를 천천히 통과합니다. 따라서 혈장에 있는 이 호르몬 겸 신경전달물질의 농도 변화로부터 뇌가 보호됩니다.

성상세포는 뉴런과 BBB 내피세포에 연결되는 ‘말단 돌기’를 지녀 생화학적으로 지원하는 뇌 신경교세포입니다. 이 돌기가 BBB 모세혈관을 거의 완전히 둘러싸므로 한때 성상세포 자체가 BBB라고 여겼지만 현재는 그렇지 않은 것으로 알려졌습니다. 다만 성상세포가 BBB 내피세포에 생화학적 신호를 전달해 BBB 특성을 유도할 수 있습니다. 혈관주위세포도 모세혈관 같은 구조를 유도하고 [THE FASEB JOURNAL; Ramsauer,M; 16(10):1274-1276 (2002)], 모세혈관 지름을 바꿔 혈류를 조절하면서 내피세포에 영향을 줍니다 [NATURE; Peppiatt,CM; 443:700-704 (2006)].

BBB는 D-포도당은 능동적으로 수송하지만 거울상 이성질체인 L-포도당은 그렇지 않습니다. 물도 BBB는 다른 모세혈관 벽보다 덜 통과시키므로 혈장 긴장도의 변화로부터 뇌를 보호합니다. 나트륨·칼륨·염화물 같은 전해질에 대해서도 세포막 일부만큼 투과성이 낮습니다. 칼륨은 초당 13.5×10⁻⁷cm의 속도로 BBB를 통과하는 것으로 측정됐으며, 이는 염화물보다 약간 빨리 통과하는 나트륨보다도 거의 열 배 빠릅니다 [JOURNAL OF NEUROCHEMISTRY; Smith,OR; 46(6):1732-1742 (1986)]. 분자량이 400~500원자질량단위 미만인 전기적으로 중성인 분자는 BBB를 통과할 수 있지만, 지용성이 없는 물질은 분자 크기가 커질수록 투과성이 지수적으로 감소합니다 [MOLECULAR INTERVENTIONS; Pardridge,WM; 3(2):90-105 (2003)]. 수소결합이 8~10개보다 많은 물질은 BBB 통과가 극히 적습니다 [NEURORX; Pardridge,WM; 2(1):3-14 (2005)].

허혈로 BBB가 손상되면 동결보호제가 더 많이 통과할 수 있지만, 장시간 허혈 후 2시간 안에 저체온 처치를 하면 BBB가 상당히 보호됩니다 [ACTA NEUROPATHOLOGICA; Preston,E; 108(5):406-412 (2004)]. 마그네슘도 BBB를 보호할 수 있습니다 [JOURNAL OF NEUROSURGICAL ANESTHESIOLOGY; Esen,F; 15(2):119-125 (2003)]. 동결보호제는 보통 수소결합 능력이 높지만 분자가 작으므로 BBB를 느리게 통과합니다. 크라이오닉스 환자의 BBB는 허혈·재관류 손상으로 자주 손상됩니다. 역설적으로 동결보호제 DMSO는 에탄올·세제와 함께 BBB를 열어 약물을 전달하는 데 사용된 물질 중 하나입니다 [NEURORX; Pardridge,WM; 2(1):3-14 (2005)]. 식물성 화합물 캡사이신 [BRITISH JOURNAL OF PHARMACOLOGY; Hu,D; 146(4):576-584 (2005)]과 조영제 Optison [ANESTHESIA & ANALGESIA; Mychaskiw,G; 91(4):798-803 (2000)]도 BBB를 열기 위해 사용되었습니다.

현재 크라이오닉스 절차는 뇌에 동결보호제를 유리화에 충분할 만큼 포화시키지만 침투는 완전하지 않습니다. 뇌가 수축하고, 일부 유리화는 탈수와 세포내 단백질에 의해 이루어집니다. 부종을 일으키지 않으면서 BBB를 열어 유리화 보호제를 더 많이 넣는 방법을 찾으면 궁극적인 뇌 생존성을 높일 수 있습니다. 단, 보호제의 독성이 탈수의 영향보다 덜 해로워야 합니다.

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IX. 크라이오닉스에서의 부종

부종은 세포 안이나 간질액에 액체가 지나치게 많아 몸의 조직이 붓는 현상입니다. 크라이오닉스 환자에서 관류를 막거나 제한하는 흔한 문제입니다. 가장 흔히 머리가 붓고 부풀어 오르거나 복부가 팽창한 모습으로 나타납니다. 조직액은 혈관을 압박해 관류액의 흐름을 막습니다. II절에서 설명한 것처럼 허혈은 나트륨 펌프에서 에너지를 빼앗고, 나트륨 이온이 지나치게 세포에 들어오면서 물도 함께 들어가 세포가 팽창합니다. 허혈과 재관류 손상은 모세혈관 투과성을 높여 간질액을 늘립니다. 많은 환자에게는 이미 부종에 취약해지는 질환이 있습니다. 예를 들어 염증성 질환은 모세혈관 투과성을 높이는 히스타민을 분비합니다.

뇌부종은 네 종류로 분류합니다. ① 혈관성, ② 세포독성, ③ 삼투성, ④ 간질성 부종입니다. 혈관성 부종은 BBB의 붕괴에 기인하고 세포독성 부종은 세포 팽창 때문입니다. 삼투성 부종은 삼투 작용을 하는 물질, 특히 항이뇨호르몬 AVP와 관련됩니다. 간질성 부종은 뇌실에서 뇌척수액이 새어 나오는 현상입니다. 간질성 부종은 의학과 크라이오닉스에서 가장 드문 뇌부종입니다. ‘간질성’이라는 말도 정확하지 않습니다. 세포독성 부종 외의 모든 부종에는 간질 공간의 체액 축적이 수반되기 때문입니다. 삼투성 부종은 일반 의학에서 중요성이 세 번째이고 크라이오닉스에서는 혈관성·세포독성 뇌부종보다 훨씬 덜 중요합니다. 뇌졸중 환자에서는 세포독성 부종이 혈관성 부종보다 먼저 나타납니다 [ACTA NEUROPATHOLOGICA; Albayrak,S; 94(2):158-163 (1997)].

미토콘드리아가 많은 BBB가 저산소증에 민감하고 그 때문에 투과성이 높아진다는 점은 고산병에서 뇌부종이 나타나는 것으로도 알 수 있습니다 [STROKE; Osta,AV; 36(3):557-560 (2005)]. 일반 의학에서 높은 모세혈관압, 더 흔하게는 뇌진탕이 뇌부종의 원인입니다. 뇌로 새어 들어간 액체는 혈관을 압박해 혈류를 줄이고 압력을 높여 악순환을 일으킵니다. 산소 감소는 모세혈관을 손상시키고 나트륨 펌프의 활동을 낮춰 세포 팽창이라는 또 다른 악순환을 만듭니다. 뇌혈류가 뇌 조직 100g당 분당 10~15mL 아래로 떨어지면 BBB가 손상되기 전에도 회백질이 물을 받아들이기 시작합니다 [RADIOLOGY; Dzialowsky,I; 243(3):720-726 (2007)].

뇌 허혈이 4~6시간 지속되면 BBB가 붕괴됩니다. 그러나 허혈 초기 몇 시간에는 저산소증으로 특히 내강측 막에서 나트륨과 염화물·물의 뇌 유입을 유도하는 능동 수송이 시작됩니다. 처음에는 뇌부종을, 나중에는 BBB 내피세포의 팽창을 일으킵니다 [AMERICAN JOURNAL OF PHYSIOLOGY; Brillault,J; 294(1):C88-C96 (2008)]. 뇌졸중 환자에게 정상 체온의 허혈이 생긴 뒤 1시간 안에 재관류하면 BBB 손상을 막을 수 있습니다. 그러나 2시간을 넘겨 재관류하면 1~2일 뒤 혈관성 부종이 반드시 나타납니다 [STROKE; Neumann-Haefelin,T; 31(8):1965-1973 (2000)]. 임상적으로 뇌졸중 환자에게 부종이 드러나기까지는 보통 2~5일이 걸립니다 [JOURNAL OF CLINICAL NEUROSCIENCE; Ayata,C; 9(2):113-124 (2002)]. 적혈구 용해도 혈관성 부종의 중요한 원인일 수 있습니다. 헤모글로빈 분해로 나온 철이 지질 과산화반응을 강하게 촉진하기 때문입니다 [STROKE; Xi,G; 32(12):2932-2938 (2001)]. NADPH 산화효소가 만드는 초과산화물 자유라디칼도 허혈·재관류 중 BBB 손상의 주요 요인으로 보입니다 [STROKE; Kahles,T; 38(11):3000-3006 (2007)]. 혈구인 백혈구와 적혈구를 제거하면 뒤이은 재관류 손상을 줄일 수 있습니다 [STROKE; Ding,Y; 33(10):2492-2498 (2002)].

뇌의 세포독성 부종은 주로 뉴런 세포체가 아니라 성상세포와 수상돌기에서 발생합니다 [JOURNAL OF NEUROPATHOLOGY AND EXPERIMENTAL NEUROLOGY; Rosenblum,WI; 66(9):771-778 (2007)]. 에너지가 부족한 세포가 Na⁺를 밖으로 내보내지 못할 때 세포가 팽창할 수 있고, 그 밖에도 성상세포가 뇌부종에서 팽창하는 기전은 여러 가지입니다 [GLIA; Kimbelberg,HK; 50(4):389-405 (2005)]. 나트륨 이온은 칼륨보다 물 분자를 강하게 끌어당겨 세포에 들어갈 때 더 많은 물을 동반합니다. 손상된 BBB를 넘어온 나트륨이 ATP가 부족한 뇌세포에 들어가면 세포독성 팽창을 일으킬 수 있습니다. 세포독성 부종은 혈관성 부종보다 혈류를 훨씬 더 많이 감소시킨다고 보고되었습니다 [STROKE; Hossman,KA; 12(2):211-217 (1981)]. 나트륨이 BBB를 통과하지 않아도 ATP가 부족한 내피세포를 팽창시켜 뇌의 모세혈관 흐름을 줄일 수 있습니다. 사망 판정 후 즉시 안정화된 환자까지 포함해 모든 크라이오닉스 환자는 세포독성 부종을 겪었을 것으로 예상됩니다. BBB가 온전하다면 팽창한 내피세포 때문에 좁아진 뇌 모세혈관은 저삼투성 식염수·덱스트란 용액으로 다시 넓힐 수 있습니다 [CIRCULATORY SHOCK; Mazzoni,MC; 31(4):407-418 (1990)]. 쥐에서는 가벼운 2°C 저체온이 중간 정도의 뇌혈류 감소로 인한 세포독성 부종을 막았습니다 [ACTA NEUROBIOLOGIAE EXPERIMENTALIS; Schwab,M; 58(1):29-35 (1998)].

허혈이 시작되면 세포 ATP가 빠르게 감소하고, 세포외 공간에는 세포를 팽창시킬 만큼 충분한 나트륨이 있습니다. 세포 팽창 자체가 곧바로 뇌부종을 만드는 것은 아닙니다. 뇌 안의 물·Na⁺·Cl⁻가 세포외 공간에서 세포 안으로 이동할 뿐이기 때문입니다. 그러나 세포외 공간에서 이 물질이 줄면 BBB 바깥에서 뇌 안으로 물질을 끌어들이는 기울기가 만들어지고, 그 결과 뇌가 붓습니다 [LANCET NEUROLOGY; Simard,JM; 6(3):258-268 (2007)]. 고장성 식염수가 이 문제를 더할 가능성도 있지만 입증되지는 않았습니다.

의학에서는 경막하혈종으로 두개내압(ICP)이 높아질 때 뇌 손상을 줄이기 위해 두개골에 천공을 내며, 한 번 배액하는 것보다 지속 배액이 더 효과적입니다 [MEDICAL SCIENCE MONITOR; Kiymaz,N; 13(5):CR240-CR243 (2007)]. 동굴벽화와 선사시대 두개골은 머리에 타격을 받아 출혈이 생겼을 때 압력을 낮추려고 구멍을 뚫거나 긁어낸 행위가 증거로 확인되는 가장 오래된 수술이었을 수 있음을 보여줍니다. 두개내압이 40~50mmHg를 넘으면 혈관이 눌려 뇌 관류가 감소하고 의식이 사라질 수 있습니다. 천공은 관류 중 부종으로 생기는 뇌 손상성 두개내압으로부터 크라이오닉스 환자를 보호할 수 있습니다.

당알코올인 만니톨은 크기와 성질 때문에 크라이오닉스와 약리학에서 자주 사용됩니다. 포도당을 환원하면 당알코올인 소르비톨이 되듯 과당을 환원하면 만니톨이 됩니다. 소르비톨과 만니톨은 장에서 흡수가 적어 인공감미료로 쓰였습니다. 소르비톨이 흡수되더라도 포도당 열량의 3분의 2만 제공합니다.

만니톨은 BBB를 통과하지 못하므로 크라이오닉스에서 뇌부종을 막는 데 사용해 왔습니다. 몸의 다른 모세혈관 막은 통과할 수 있지만 뇌에서는 통과하지 못합니다. 그러므로 만니톨은 뇌에서만 교질삼투 성분처럼 작용합니다. Alcor가 장기 보존액으로 사용한 MHP-2의 ‘M’도 만니톨을 가리킵니다. 혈장 오스몰랄농도를 310에서 344mOsm/kgH₂O로 높이면 뇌가 10% 수축할 수 있고, 수축량의 절반은 12분 안에 일어납니다.

고삼투성 1.5몰 만니톨은 BBB를 일시적으로 열어 약물을 전달하는 데 사용했습니다. 경동맥으로 만니톨을 관류하면 모세혈관 내피세포가 수축해 밀착연접이 몇 시간 동안 넓어집니다 [AMERICAN JOURNAL OF PHYSIOLOGY; Rapoport,SI; 238(5):R421-R431 (1980)]. 쥐 실험에서 25% 만니톨 용액을 경동맥에 체중 kg당 초당 0.25mL의 속도로 30초 주입했더니 α-아미노이소부티르산의 BBB 통과가 다섯 배 증가했습니다 [JOURNAL OF CEREBRAL BLOOD FLOW & METABOLISM; Chi,OZ; 16(2):327-333 (1996)].

의학적으로 뇌부종을 고삼투 방식으로 치료할 때 만니톨이 전통적으로 선택됐지만, 내피세포에 달라붙는 호중구를 줄이는 고장성 식염수를 사용하는 경향이 커졌습니다 [ANNALS OF SURGERY; Pascual,JL; 236(5):634-642 (2002)]. 반면 만니톨은 혈액의 점도를 낮추고 [SURGICAL NEUROLOGY; Andrews,RJ; 39(3):218-222 (1993)] 산화 손상을 줄입니다 [BRAIN RESEARCH; 1164:132-135 (2007)]. 그러나 크라이오닉스에서는 낮은 온도에서 용해도가 감소하는 것이 만니톨의 단점입니다.

혈관성 부종의 고삼투 치료에 사용되는 물질에는 BBB에 가로막혀 되돌아오는 정도를 나타내는 반사계수가 부여됩니다. 염화나트륨은 BBB를 전혀 통과하지 않아 완전히 ‘반사’된다는 뜻에서 1.0입니다. 만니톨은 90%가 반사되어 0.9입니다. 글리세롤은 약 0.5로, 의학적 고삼투 치료에 오래 사용하면 BBB를 지나 뇌 안에 물을 붙잡아 둘 위험이 가장 큽니다 [JOURNAL OF NEUROLOGICAL SCIENCES; Ziai,WC; 261(1-2):157-166 (2007)]. 글리세롤 농도가 20%를 넘으면 용혈을 일으킬 수 있습니다 [ACTA NEUROCHIRURGICA; Biestro,A; 139(8):725-733 (1997)]. 처음 한 번 만니톨을 투여하면 일시적으로 뇌가 탈수되지만 반복 투여는 부종을 악화시킵니다 [JOURNAL OF NEUROSURGERY; Kaufmann,AM; 77(4):584-589 (1992)]. BBB는 나트륨을 능동적으로 배출하므로 대사가 작동하는 일반 환자에서는 허혈 상태의 크라이오닉스 환자보다 반동 효과 가능성이 작습니다 [JOURNAL OF NEUROSURGICAL ANAESTHESIOLOGY; Qureshi,AI; 10(3):188-192 (1998)].

실험적 뇌졸중을 유도한 쥐에게 동몰농도의 고장성 식염수(7.5%) 또는 만니톨(20%)을 투여한 실험은 대체로 식염수가 뇌 수분량을 줄이는 데 더 낫다는 결과를 보였습니다 [CRITICAL CARE MEDICINE; Toung,TJ; 33(1):203-208 (2005)]. 사람 뇌졸중 환자의 두개내압을 비교한 임상시험에서도 비슷한 결과가 나타났습니다 [ANESTHESIOLOGY; Rozet,I; 107(5):697-704 (2007); STROKE; Schwarz,S; 29(8):1550-1555 (1998)]. 20% 만니톨과 7.5% 식염수는 동몰농도이지만, 20% 만니톨과 등장성에 해당하는 오스몰농도의 식염수는 3.6%입니다.

동몰농도의 두 용액은 직접 비교하기에 좋지만 각각의 최적 농도는 알려주지 않습니다. 의학에서 최적인 농도가 크라이오닉스에서도 최적이라고 할 수 없습니다. 의학에서는 용혈을 막으려 하지만 크라이오닉스에서는 혈액을 씻어내므로 우려가 덜할 수 있습니다. 고장성 탈수로 적혈구가 수축하면 혈구 제거에 도움이 될 수 있지만, 탈수된 적혈구는 혈관 벽에 더 잘 달라붙습니다 [BRITISH JOURNAL OF HAEMATOLOGY; Wandersee,NJ; 131(3):366-377 (2005)].

만니톨은 임상에서 BBB를 열고 약물을 뇌에 전달하는 데도 사용됩니다 [CANCER TREATMENT REVIEWS; Kemper,EM; 30(5):415-423 (2004)]. BBB를 연 뒤 물이 뇌로 유입되는 것은 약물 흡수에는 바람직하지만, 크라이오닉스에서는 목표가 물을 보호제로 치환하는 것이므로 보호제 흡수가 증가하는 경우에만 바람직합니다. 1.6몰 만니톨을 5분 사용하면 BBB를 열 수 있습니다 [BRAIN RESEARCH PROTOCOLS; Bhattacharjee,AK; 8(2):126-131 (2001)]. 저체온이 만니톨의 BBB 개방을 돕기 때문에 4°C에서는 1.1몰로 충분합니다 [BIOCHEMICAL AND BIOPHYSICAL RESEARCH COMMUNICATIONS; Ikeda,M; 291(3):669-674 (2002)]. 다만 만니톨은 물에 잘 녹지 않아 1.66몰 만니톨은 37°C에서도 침전할 수 있습니다. 이 때문에 용해도가 높은 당인 아라비노스를 대신 사용하기도 했습니다 [AMERICAN JOURNAL OF PHYSIOLOGY; Rapoport,SI; 239(5):R421-R431 (1980)].

21st Century Medicine(21CM)은 세포 팽창을 막는 분자를 체계적으로 조사해 알파 락토스가 특히 효과적임을 확인했습니다. 알파 락토스와 폴리글리세롤을 기반으로 하는 TranSend라는 장기 보존액의 특허도 취득했습니다. 알파 락토스가 BBB를 통과하는지에 대한 언급은 없습니다. 락토스는 만니톨보다 저렴하지만 분자량이 342로 만니톨의 182보다 커서, 그램당 삼투 성분으로는 덜 효과적이고 점도는 더 높을 것으로 예상됩니다. 만니톨이 BBB를 통과하지 않는다면 뇌를 탈수시키는 것만으로도 뇌세포 팽창을 줄입니다. 따라서 크라이오닉스의 고삼투성 혈액 세척에 자주 선택되지만, 특히 낮은 온도에서 낮은 용해도가 문제가 될 수 있습니다.

BBB의 허혈·재관류 손상에 관해서는 「재관류 손상과 ‘무재류 현상’」을 참고하세요.

덱스트란은 포도당으로 이루어진 다당류로 분자량을 킬로달톤 단위로 표시합니다. 예를 들어 덱스트란-60의 분자량은 60,000, 즉 60킬로달톤입니다. 혈장에는 알부민이 약 4~5% 들어 있고 그 분자량은 약 65,000입니다. 덱스트란은 재관류 중 백혈구와 혈소판이 내피세포에 달라붙는 현상을 줄이며, 분자량이 클수록 부착을 더 줄입니다 [AMERICAN JOURNAL OF PHYSIOLOGY; Steinbauer,M; 272(4 Pt 2):H1710-H1716 (1997)]. 섬유소 용해도 촉진합니다 [CRITICAL CARE MEDICINE; de Jonge,E; 29(6):1261-1267 (2001)].

출혈성 쇼크 후에는 세포독성 부종의 한 형태인 내피세포 팽창 때문에 모세혈관 흐름이 방해될 수 있습니다. 7.2% NaCl과 10% 덱스트란-60 혼합액은 출혈성 쇼크 후 내피세포 팽창을 상당히 줄였습니다 [JOURNAL OF SURGICAL RESEARCH; Corso,CO; 80(2):210-220 (1998)]. 이 용액은 혈장보다 고삼투성이며 고교질삼투성입니다. 좁아진 모세혈관이 백혈구에 막히면 재관류해도 ‘무재류’가 발생할 수 있지만 고삼투·고교질삼투 NaCl/덱스트란 용액으로 이를 바로잡았습니다 [CIRCULATORY SHOCK; Mazzoni,MC; 31(4):407-418 (1990)]. 소생용 액체의 높은 점도가 교질삼투성이 높다는 사실보다 더 중요할 수도 있습니다 [SHOCK; Cabrales,P; 22(5):431-437 (2004)].

허혈·재관류 시간이 길어질수록 BBB의 누출이 심해지지만, 더 큰 덱스트란으로 교질삼투압을 유지할 수 있습니다 [MICROCIRCULATION; Nagaraja,TN; 15(1):1-15 (2008)]. 큰 덱스트란까지 BBB를 새어 나가 교질삼투압을 유지하지 못하는 단계, 즉 3시간의 허혈 후 21시간이 지난 뒤에도 혈관에서 백혈구와 혈소판을 제거해 허혈 상태의 크라이오닉스 환자 관류에 도움이 될 수 있습니다.

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