초고자기장 9.4T MRI와 1H-MRS를 활용한 비알코올성 지방간(NAFLD) 진단 및 간지질 대사 심층 분석
https://dx.doi.org/10.31916/sjmi2021-01-01
비알코올성 지방간질환(Non-Alcoholic Fatty Liver Disease, NAFLD)은 전 세계적으로 가장 흔한 만성 간질환 중 하나로, 대사증후군, 비만, 제2형 당뇨병과 밀접하게 연결되어 있다.
특히 현대인의 식습관 변화와 생활습관 악화로 인해 그 유병률은 급속히 증가하고 있으며, 장기적으로 간섬유화, 간경변, 간세포암종(Hepatocellular Carcinoma, HCC)으로 발전할 수 있어 임상적 중요성이 매우 크다.
본 칼럼에서는 초고자기장 9.4T 자기공명영상(MRI)과 1H-MRS(프로톤 자기공명분광법)을 기반으로 한 지방간 모델 연구를 심층적으로 고찰한다.
이를 통해 고지방 식이에 의한 간지질 대사 변화와 병리학적 연관성을 밝히고, 향후 임상적 진단 및 치료 적용 가능성을 탐구한다.
1. 비알코올성 지방간(NAFLD)의 개요와 임상적 중요성
NAFLD는 알코올 섭취 여부와 무관하게 간세포 내 중성지방(triglyceride)이 5% 이상 축적된 상태를 의미한다.
전 세계 인구의 약 30%가 NAFLD에 해당하며, 심각한 비만 환자의 경우 그 비율은 90%에 이른다.
단순 지방간(steatosis)은 염증이 동반되지 않는 경우가 많지만, 시간이 지남에 따라 비알코올성 지방간염(NASH)으로 진행하며, 이는 간경변과 간암의 주요 원인 중 하나로 작용한다.
전통적으로 간생검이 진단의 황금표준으로 사용되어 왔으나, 침습적이고 합병증 위험이 존재하며 표본 오차가 발생할 수 있다는 한계가 있다.
따라서 비침습적이면서 정량적 평가가 가능한 고자기장 MRI 및 1H-MRS 기법은 NAFLD 연구와 임상 진단에서 점점 더 중요한 위치를 차지하고 있다.
2. 1H-MRS와 초고자기장 MRI의 기술적 배경
(1) 1H-MRS의 원리
프로톤 자기공명분광법(1H-MRS)은 체내 특정 대사체의 화학적 구조와 상태를 비침습적으로 분석하는 기술이다.
간에서 중성지방을 구성하는 메틸기(-CH3, 0.9 ppm), 메틸렌기(-(CH2)n-, 1.3 ppm), 알릴기(-CH2-C=C-CH2-, 2.1 ppm), α-메틸렌기(-CO-CH2-CH2, 2.3 ppm), 이중결합 구조(=C-CH-2-C=, 2.8 ppm) 등 다양한 대사체 피크를 정량적으로 분리할 수 있다.
(2) 9.4T 초고자기장의 장점
9.4T MRI는 기존 1.5T 및 3.0T 장비 대비 신호대잡음비(Signal-to-Noise Ratio, SNR)와 분광 해상도가 비약적으로 향상된다.
그 결과 기존 저자기장 장비에서 구분하기 어려웠던 4.1 ppm 및 4.3 ppm의 글리세롤 신호까지 세밀하게 분석할 수 있으며, 이는 지방대사의 분자적 수준 이해에 큰 진전을 제공한다.
그림 1. 9.4T MRI 시스템(a) 및 4채널 마우스 코일(b)
3. 연구 설계 및 실험 방법
(1) 동물 모델
실험에는 수컷 C57BL/6 생쥐 17마리를 사용하였다.
대조군(8마리)은 일반식이를 공급받았으며, 실험군(9마리)은 20주간 60% 고지방 식이를 공급받았다.
주차별로 체중과 혈당을 측정하고, 실험 종료 후 조직학적 검증을 위해 H&E 염색을 실시하였다.
(2) MRS 데이터 획득
MRI는 9.4T 초고자기장 장비와 PRESS 단일-voxel 1H-MRS 기법을 사용하였다.
획득한 데이터는 LCModel 소프트웨어로 정량화하여 각 대사체 피크 면적과 지방산 지표를 계산하였다.
측정 파라미터는 TR/TE = 2500/16 ms, voxel 크기 2×2×2 mm³였다.
4. 실험 결과
(1) 체중 및 혈당 변화
고지방식이군은 대조군 대비 체중과 혈당 수치가 지속적으로 증가하였다.
특히 11주 이후 혈당 상승이 두드러졌으며, 이는 대사증후군의 전형적 특징과 유사하다.
(2) 간지질 대사체 분석
1H-MRS 스펙트럼 분석 결과, 고지방식이군에서 0.9, 1.3, 2.1, 2.3, 2.8, 4.1, 4.3, 5.3 ppm의 모든 지질 피크가 유의하게 증가하였다(p<0.01~0.001).
(3) 지방산 조성 변화
고지방군은 총지질(TL), 총포화지방산(TSFA), 총불포화지방산(TUFA), 다불포화결합(PB), 콜린화합물(CCC) 지표가 모두 상승하였다.
(4) 조직학적 분석 결과
H&E 염색 결과, 고지방식이군 간세포에서 지방 공포의 축적이 현저히 증가했고, 세포괴사 및 세포자멸사(apoptosis)가 관찰되었다.
병리학적 점수에서도 지방증 항목이 유의하게 높았다.
그림 5. 대조군과 고지방군의 H&E 염색 및 병리학적 점수 비교
5. 고찰
1H-MRS는 지방간 평가에 있어 초음파보다 정량성이 우수하고, CT와 달리 방사선 노출이 없다는 장점이 있다.
특히 9.4T 초고자기장 MRI는 기존 장비에서 분리할 수 없던 지방산 피크를 세밀히 구분할 수 있어, 질병 조기 진단 및 진행 모니터링에 큰 강점을 가진다.
본 연구는 고지방식이에 의해 지방산 합성이 증가하고, 이로 인해 간세포 스트레스가 가중되어 세포손상과 조직학적 변화를 유발함을 규명하였다.
이러한 결과는 NAFLD가 섬유화 및 간암으로 진행하는 병리학적 메커니즘 이해에 중요한 단서를 제공한다.
6. 결론 및 임상 적용 가능성
9.4T MRI 기반 1H-MRS는 간지질 대사와 지방산 조성을 정밀하게 측정할 수 있는 비침습적 도구로, 향후 임상 적용 시 다음과 같은 활용 가능성이 있다:
간생검을 대체하거나 보완하는 진단 도구
약물치료 및 생활습관 개선 효과의 추적 평가 지표
지방간에서 섬유화 및 간암으로 진행하는 위험 예측 모델 구축
따라서 1H-MRS는 향후 맞춤형 간질환 진단 및 치료 전략 수립의 핵심 기술로 자리 잡을 것이다.
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