비침습적 염증 치료의 혁신: 펄스자기장(PMF)을 활용한 면역세포 염증활성도 조절 연구와 만성 염증 질환 관리

 http://dx.doi.org/10.9718/JBER.2023.44.5.324

서론: 만성 염증과 비침습적 치료의 필요성

만성 염증 질환은 현대인의 건강을 위협하는 심각한 문제입니다. 

류마티스 관절염이나 패혈증과 같은 만성 염증성 질환은 체내 면역세포가 과도하게 활성화되어 TNF-alpha, IL-2, IL-4, 그리고 특히 IL-6와 같은 전염증성 사이토카인을 분비함으로써 정상적인 조직과 세포를 손상시킬 때 발생합니다. 

이러한 과도한 면역 활성화는 통증과 기능 저하를 유발하며, 이를 조절하는 것은 만성 염증성 질환의 치료에서 매우 중요한 지표가 됩니다.

기존의 약물 치료는 효과적이지만, 장기적인 사용 시 부작용의 위험을 동반합니다. 

이에 따라 부작용 없이 염증 치료에 접근할 수 있는 비침습적인 치료 기술에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 

펄스자기장(PMF)은 신경 및 근육 질환 치료, 통증 관리에 이미 다양하게 응용되고 있는 비침습적 자기장 치료 기기의 대표적인 예입니다. 

본 칼럼에서는 최근 발표된 연구 결과를 심층적으로 분석하여, PMF가 체내 면역 시스템 전반에 걸쳐 과도한 염증을 어떻게 효과적으로 조절하는지, 특히 1차 면역세포인 대식세포와 2차 면역세포인 T 세포의 상호작용에 미치는 영향을 중심으로 PMF의 항염증 효과와 그 임상적 잠재력을 논하고자 합니다.

연구 설계 및 방법론: 면역 세포 동시 배양을 통한 염증 유도 및 PMF 적용

펄스자기장(PMF)의 항염증 효과를 입증하기 위해, 연구진은 체내 면역 환경과 유사한 조건에서 1차 면역반응과 2차 면역반응을 모두 관찰할 수 있는 독창적인 실험 설계를 채택했습니다.

1. 세포 모델 및 동시 배양

·         1차 면역세포: 대식세포 계열인 Raw 264.7 세포를 사용했습니다. 대식세포는 감염원을 인식하고 식균 작용을 하며, 항원을 T 세포에 제시하여 적응 면역 시스템을 활성화하는 핵심 세포입니다.

·        2차 면역세포: T 세포 계열인 EL4 세포를 사용했습니다.

·     배양 환경: 체내와 유사한 상호작용 환경을 구현하기 위해 반투과성 특성을 가진 insert well을 사용하여 Raw 264.7 세포는 하단에, EL4 세포는 상단에 동시 배양했습니다.

2. 염증 유도 및 PMF 자극 조건

·         염증 유도: 대식세포인 Raw 264.7 세포에 LPS(Lipopolysaccharide, 1 µg/ml)를 주입하여 인위적으로 염증을 유도했습니다. LPS는 그람 음성 박테리아의 세포막 성분이며 강력한 면역 활성화제입니다.

·        PMF 자극 조건: 염증 유도 24시간 후, 활성화된 대식세포와 T 세포에 PMF를 인가했습니다. PMF의 세기와 인가 시간은 선행 연구를 바탕으로 4700G와 3분으로 고정했습니다.

3. 활성도 측정 지표

PMF 자극 전후의 염증 활성도 변화는 두 가지 핵심 지표를 통해 측정되었습니다:

1.  세포 산성화 정도 (pH): 염증이 유도되면 면역세포의 젖산 생산이 증가하여 세포가 산성화됩니다. pH 측정은 세포의 산-염기 항상성 조절 상태를 직접적으로 보여줍니다.

2.  IL-6 농도: IL-6는 대표적인 전염증성 사이토카인으로, 그 발현량은 염증 활성화 정도를 나타내는 중요한 지표입니다. ELISA를 통해 배양액 내 IL-6 농도를 측정했습니다.

주요 연구 결과: PMF의 염증 활성도 개선 효과 입증

PMF 자극이 대식세포와 T 세포의 염증 활성도에 미치는 영향은 pH 변화 및 IL-6 농도 변화를 통해 명확하게 확인되었습니다.

1. 실험 설계 모식도 및 PMF 자극 시스템

연구는 총 34시간에 걸쳐 진행되었으며, 세포 배양 후 LPS를 주입하고, 24시간 후 PMF를 인가하는 방식으로 설계되었습니다.

   그림 1. 펄스자기장 구동 시스템:

 (a) PMF 구동 회로 및 세포 배양 시스템에 대한 개략도. insert well에 T 세포(EL4)는 상단에, 대식세포(Raw 264.7)는 하단에 위치함을 보여줍니다.

 (b) PMF 코일의 자기장 분포 시뮬레이션 결과.

 (c) PMF 자극 프로토콜: 4700G 세기의 펄스가 1초 간격으로 반복되어 총 3분 동안 인가되었으며, 총 180펄스가 샘플 당 적용되었습니다.

그림 2. 실험 설계 모식도

 -24시간: 세포 배양 시작 (Cell culture).

  0시간: LPS 주입 (LPS).

  24시간: PMF 인가 시작 (PMF, 4700G, 3min).

2. pH 변화를 통한 산성화 개선 확인

그림 3. LPS 주입과 PMF 인가에 따른 Raw 264.7과 EL4의 pH 변화

그래프는 PMF의 산-염기 항상성 조절 효과를 명확히 보여줍니다.

시간 (hour)	LPS 인가	PMF 인가	Raw 264.7 (대식세포)	EL4 (T 세포)	분석 결과
Control (대조군)	-	-	정상 pH 범위	정상 pH 범위	염증 유도 전 비활성화 상태.
0h (LPS 직후)	+	-	정상 pH 범위	정상 pH 범위	염증 반응 시작.
6h	+	-	급격히 산성화	산성화 진행	Raw 264.7이 EL4보다 더 빠르게 산성화 (Raw 8%, EL4 3% 감소율).
24h (PMF 인가 직전)	+	-	가장 낮은 pH (가장 산성화됨)	낮은 pH	염증 유도로 인한 산성화 최대로 진행.
27h (PMF 인가 3h 후)	+	+	pH 증가 시작	pH 증가 시작	PMF 자극으로 산성화 개선 시작.
34h (PMF 인가 10h 후)	+	+	pH 회복 가속화	pH 회복 가속화	PMF의 산-염기 항상성 조절 효과 입증.

·         염증 반응 확인: LPS 주입 후 시간이 지남에 따라 두 세포 모두 pH가 감소하며 산성화가 진행되었습니다. 이는 염증 유도 시 면역세포의 젖산 생산 증가로 인한 현상으로, 기존 이론과 일치합니다.

·        활성화 순서: Raw 264.7이 EL4보다 더 빠른 속도(6h~12h 사이 Raw 8%, EL4 3% 감소율)로 산성화가 진행되었습니다. 이는 1차 면역세포인 대식세포가 먼저 활성화되어 2차 면역세포인 T 세포를 활성화시켰음을 시사합니다.

·        PMF 효과: LPS 주입 24시간 후 PMF를 인가한 결과, 두 세포 모두에서 pH가 증가하며 산성화가 개선되었습니다. 이는 PMF가 염증 치료에 긍정적인 효과가 있음을 입증하는 결과입니다.

3. IL-6 발현량 감소를 통한 항염증 효과 확인

그림 4. LPS 주입과 PMF 인가에 따른 Raw 264.7과 EL4의 IL-6 발현량 그래프는 PMF의 항염증 효과를 전염증성 사이토카인인 IL-6의 농도 변화로 보여줍니다.

시간 (hour)	LPS 인가	PMF 인가	Raw 264.7 (대식세포, ng/ml)	EL4 (T 세포, ng/ml)	분석 결과
Control (대조군)	-	-	현저히 낮음 (약 0)	현저히 낮음 (약 0)	두 세포 모두 비활성화 상태.
0h ~ 24h	+	-	IL-6 발현량 지속 증가	IL-6 발현량 지속 증가	LPS로 인해 과도한 염증 유도, IL-6 농도 최고치 도달. Raw 264.7이 EL4보다 더 빠르게 증가.
24h (PMF 인가 직후)	+	-	최고 농도 (약 1.73)	최고 농도 (약 1.60)	PMF 인가 직전 IL-6 발현량 최대.
27h (PMF 인가 3h 후)	+	+	IL-6 발현량 감소 시작	IL-6 발현량 감소 시작	PMF 자극 후 IL-6 감소.
30h (PMF 인가 6h 후)	+	+	EL4보다 IL-6 감소 폭 더 큼	감소 유지	PMF에 대한 대식세포의 반응 속도가 더 빠르고 효과가 더 크게 나타남.
34h (PMF 인가 10h 후)	+	+	낮은 농도 유지 (약 1.52)	낮은 농도 유지 (약 1.52)	PMF 자극이 과활성화된 염증반응을 개선함을 입증.

·         염증 활성화 확인: 대조군 대비 LPS 주입군에서는 Raw 264.7과 EL4 모두 IL-6 발현량이 현저히 증가했습니다. 이는 LPS가 Raw 264.7을 활성화시키고, 활성화된 Raw 264.7이 EL4를 활성화시켜 과도한 염증이 유도되었음을 의미합니다. 대식세포의 IL-6 발현량이 T 세포보다 먼저 크게 증가한 것은 염증 반응이 대식세포에서 먼저 시작되었음을 다시 한번 보여줍니다.

·         PMF 효과: PMF 인가 3시간 후부터 IL-6 발현량이 감소하기 시작했으며, 특히 대식세포에서 더욱 빠르고 큰 폭의 감소가 관찰되었습니다. 이는 PMF 자극이 염증에 의한 면역세포의 과활성화를 성공적으로 개선했음을 시사하며, 이는 pH 측정 결과와도 일치합니다.

결론 및 시사점: PMF의 항염증 기전과 임상적 잠재력

PMF의 항염증 작용 기전

본 연구 결과는 펄스자기장(PMF)이 체내 면역 시스템의 과도한 염증을 조절하는 데 있어 긍정적인 항염증 효과를 가짐을 강력하게 시사합니다.

1.   산-염기 항상성 조절: PMF 자극은 염증으로 인해 산성화되었던 대식세포와 T 세포의 pH를 정상 범위로 개선시켜, 산-염기 항상성 조절 효과를 입증했습니다.

2.  사이토카인 조절: PMF는 염증의 핵심 지표인 전염증성 사이토카인인 IL-6의 발현량을 효과적으로 감소시켰습니다. 연구진은 이러한 IL-6 발현량의 변화가 세포 내 산화 환원 상태에 의해 조절되는 탈수소효소(G6PD)의 변화와 연관되어, pH 측정 결과와 IL-6 발현량 결과가 일치한다고 해석했습니다.

3.    1차 면역세포의 빠른 반응: PMF 자극에 대한 반응은 2차 면역세포인 T 세포보다 1차 면역세포인 대식세포에서 더욱 빠르고 크게 나타났습니다. 이는 대식세포가 과도한 염증 활성도 회복에 선도적인 역할을 하며, PMF의 효과가 면역 반응의 초기 단계에서 작용할 가능성을 시사합니다.

만성 염증 질환 치료의 혁신

이 연구는 PMF가 만성 염증성 질환 치료를 위한 비침습적 치료 기술로 활용될 수 있는 잠재력을 제시하며, PMF 기술 개발의 중요한 기초 자료를 제공합니다. 약물 부작용의 위험 없이 염증 치료에 효과적으로 접근할 수 있는 PMF는 향후 만성 염증 질환을 앓고 있는 환자들에게 새로운 희망이 될 수 있습니다.

후속 연구에서는 PMF의 항염증 작용 기전을 세포 내 소기관, 특히 세포 호흡을 담당하는 미토콘드리아의 활성도를 측정함으로써 더욱 심층적으로 규명할 필요가 있습니다. 이러한 연구 확장을 통해 PMF는 만성 염증 질환 관리를 위한 비침습적 염증 치료 분야에서 혁신적인 역할을 수행할 것입니다.

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