서 론
뇌졸중은 많은 나라에서 주요 사망 원인의 하나로 알려져 있다. 한국 사회도 점차 고령화되면서 뇌졸중 발생 빈도의 증가에 따른 사회경제적인 부담이 높아지고 있다.
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눈부신 의 술발달에도 불구하고 여전히 뇌졸중 치료법은 거의 전무한 상 태로 미국의 뇌졸중 치료 지침인 American Heart Association guideline에서 인정된 recombinant tissue plasminogen activa- tor(rt-PA)뿐이다.2
하지만 이 치료지침 역시 증상발생 3시간 이내에 환자에 적용되어야 하는 짧은 time window와 50% 정 도의 재개통률(recanalization), 출혈 위험 등의 부작용에 의 해 1~3% 정도밖에 치료효과를 얻지 못한다. 재관류 치료를 받지 못하는 대부분의 뇌졸중 환자의 치료를 위해서는 time window를 연장하기 위한 다양한 연구가 필요하다.3
따라서 기존의 임상적 시각과 치료의 한계를 보완하고자 하는 시도 들이 요구되고 있는 실정이며, 최근 다양한 분자생화학적 기술의 발달로, 뇌졸중 질환에 대한 많은 기작들이 연구발표 되고 있다. 본문에서는 3시간 이후에 시행되는 재개통이 뇌 졸중에 효과가 없는 이론적 이유를 분자생물학적 기작을 통 해 알아본다. 또한 이러한 이론적 배경과 보고된 결과들을 바 탕으로 뇌졸중 치료를 위한 time window의 연장 가능성에 대해 알아보고자 한다.
뇌졸중의 병태생리
뇌졸중으로 인한 신경학적 결함은 뇌혈류(cerebral blood flow)의 감소에 기인하며, 정도에 따라 ischemic oligemia(혈 액량 감소부분), ischemic penumbra(허혈성 반음영 또는 허혈 성 주변부), ischemic core(허혈 중심부)로 나뉘어진다(Fig. 1).
1) Ischemic core는 허혈 손상의 중심부에 있는 지역으로 이 지역의 신경세포는 혈액공급이 빠른 시간 내에 재개되지 않으면 항상성을 유지할 수 없게 되고 세포사망으로 이어진
Vascular Neurology 2011;3:13-19 ISSN 2092-6855
Past and Future for Therapeutic Paradigm in Stroke
Hyun-Woo Kim, Kyoung-Joo Cho, Gyung-Whan Kim
Department of Neurology, College of Medicine, Yonsei University, Seoul, Korea
뇌졸중 치료 패러다임의 현재와 미래
연세대학교 의과대학 신경과학교실, 혈관신경학연구
김현우·조경주·김경환
Received August 19, 2011 Revised September 2, 2011 Accepted September 5, 2011 Correspondence Gyung-Whan Kim, MD, PhD Department of Neurology,
College of Medicine, Yonsei University, 50 Yonsei-ro, Seodaemun-gu, Seoul 120-752, Korea Tel +82-2-2228-1609 Fax +82-2-393-0705 E-mail [email protected]
Stroke is one of the largest causes of death in the world. Although medicine has had remarkable progress, therapy for the stroke is weakly understood. Just the recombinant tissue plasminogen ac- tivator ia an approved medical therapy by American Heart Association guideline, however, only 1-3%
of stroke patients are receiving the treatment because of its limited 3 hour time window, about 50%
recanalization and grate risk of hemorrhage. Many clinical trials are required for the acute stroke pa- tients, who can not be applied reperfusion therapy, although molecular mechanisms and skills for saving acute ischemic stroke have been studied and developed. In this review, we introduce patho- physiology and ischemic penumbra, and discuss therapeutic target for ischemic penumbra. Next, we overview the molecular mechanism and current issues for acute ischemic stroke treatment. Lastly, we will discuss why late reperfusion is ineffectual medical therapy for patients who are treated after 3 hours of stroke onset although many clinical trials have been done. Taken together, we suggest that new paradigm for treatment of acute ischemic stroke is focused on saving the ischemic penumbra, widen the therapeutic window, and repairing damaged neuron. Vascular Neurology 2011;3:13-19 Key Wordsaa Ischemic stroke, Recombinant tissue plasminogen activator (rtPA), Reperfusion
therapy, Time window, DNA repair.
다. 혈액공급이 완전히 차단될 경우 수초 안에 신경세포의 전 기적 활동이 중단되고 수분 내에 에너지 상태가 악화되며 이 온펌프의 항상성이 깨지게 된다. 이러한 비가역적인 손상은 혈액공급이 중단된 후 5~10분 내에 일어나게 된다.
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2) Ischemic penumbra는 core 주변지역을 의미한다. 정상 뇌 혈류의 25~50% 정도가 유지되는 부위로 시냅스에서 신경 전달물질의 전달은 차단되지만 이온의 항상성은 유지되는 지 역을 말한다. 시냅스의 활동에 따른 신경학적 장애는 발생하 나, 뇌혈류가 다시 공급된다면 가역적일 수 있고 임상증상 또 한 호전될 수 있다.
3) Ischemic oligemia는 허혈 손상을 받은 뇌조직의 가장 바깥쪽에 위치한 부분으로 측부 순환에 의해 뇌의 에너지 요 구량이 충족되고 신경세포는 정상적인 기능을 유지한다.
대뇌에는 주요 혈액공급원인 큰 뇌동맥과 우회하는 작은
측부혈관들이 존재한다. 이러한 측부혈관들은 정상 뇌혈류 상태에서는 닫혀있다가 주혈류가 흐르는 뇌동맥이 막히게 되 면 측부혈관쪽으로 압력이 가해져서 닫혀있던 밸브가 열리 게 된다. 이로인해 막힌혈관 부분을 우회해서 뇌혈류가 흐르 게 된다. 이러한 측부순환에 의해 유지되는 부위인 ischemic penumbra는 기능은 멈춘 상태이지만 세포막이 유지되는 등 세포가 살아 있는 상태를 보인다. 하지만 이러한 상태가 무한 정 지속되는 것이 아니라 흐르는 혈류량에 따라 지속시간이 한정된다. 이것을 1981년에 Astrup 등
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이 ischemic penumbra 라는 개념으로 미국뇌졸중학회에 발표하며 제시하게 되면서 현재의 뇌졸중 치료의 가장 중요한 개념으로 자리잡게 되었 다. 따라서 뇌졸중의 치료는 이러한 penumbra를 살리는 데 초점이 맞추어지고 있으며,5,6
최근 확립되기 시작한 분자생물 학적 개념이 도입되면서 ischemic penumbra 개념에 기초한 급 성 뇌경색 치료도 점차 바뀌고 있는 실정이다.Ischemic Penumbra의 분자생물학적 접근
최근 분자생물학의 발달로 뇌허혈 손상 이후 세포의 사망/
생존에 관한 기전이 밝혀지고 있으며, 뇌허혈 치료에 분자생 물학적 개념이 급속히 도입되고 있다.
오랜 시간 동안 뇌혈류가 중단될 경우 신경세포는 에너지 의 고갈로 세포괴사(necrosis)에 빠지게 되며 이는 주로 isch- emic core에서 관찰된다. 하지만 ischemic penumbra에서는 세포손상이 즉각적으로 일어나는 것이 아니라 대부분 지연성 으로 세포가 죽게 된다. 이러한 지연성 세포사망에 관여되는 물질로 노벨의학상을 수상했던 주제인 caspase라는 세포사망 단백질군이 보고되었다.
7-10
이러한 caspase 중 실행자 역할을 하는 caspase-3의 관여로 손상 받은 뇌세포가 지연성으로 죽 게 되는데 이 중심기전에는 DNA의 손상이 자리잡고 있다.11,12
뇌졸중이 생기게 되면 에너지 공급이 차단되고 산화성 스트 레스(oxidative stress)가 발생하게 되어(Fig. 2) DNA가 가장 먼저 손상을 받게 된다(Fig. 3).13
이렇게 손상된 DNA가 있으 면 DAN 복구단백질에 의해 복구가 시도된다.14-16
하지만 복 구가 한계에 이르게 되면 세포사망에 관련되는 스위치가 켜 지게 되며 세포자멸사(apoptosis)라는 세포사망형태가 일어 나게 된다.17-19
세포자멸사의 특징은 DNA가 caspase에 의해 분절화 된 후 세포막이 유지된 상태로 전체 세포가 압축된 후 대식세포 등에 의해 최종 분해 처리되는 특징을 갖고 있다. 따 라서 하나의 손상된 세포는 사망하게 되지만 세포괴사처럼 세포막이 터지는 것이 아니라, 세포안의 오염된 내용물이 밖으 로 나오지 않는다. 이로 인해서 주변부 세포들을 오염시키지 않는 특징을 갖고 있다. 이러한 과정을 거쳐서 전체 뇌조직은Oligemia
Penumbra
Core
Figure 1. A schematic diagram showing the three hypoperfused tissue compartments of ischemia: center is the ischemic core; pe- ripheral zone is the oligemia; and the region between core and oli- gemia is penumbra.
Cortex
Striatum
Normal Ischemia
Figure 2. Superoxide-radical production and oxidative DNA dam-
age after I/R. Superoxide-radical production was measured 4 h
after ischemia using hydroethidine. Oxidized hydroethidine signals
as appears as red spots at perinuclear sites.
손상된 DNA를 다음 세대로 넘기지 않고 처리할 수 있으며 주변부에 영향을 끼치지 않고 깨끗하게 손상된 세포를 처리 할 수 있게 된다.
Ischemic penumbra에서의 세포사망은 ischemic core에서 시작된 ‘spreading depression’에 의해서도 일어난다. Cortical spreading depression은 1944년 Leao에 의해 처음 제시된 개념 으로 slow moving wave의 형태로 나타난다(Fig. 4).
20-22
외상 이나 저산소증 등에 의해 시작되어 뇌의 피질 전반에 걸쳐 전 파되면서 세포를 탈분극시키고 시냅스의 활동전위를 중단시 킨다. 이러한 분자생물학적 관점에서 보면 단순히 뇌혈관폐색 후 재관류만을 한다고 해서 ischemic penumbra 지역이 뇌경색 으로 빠지는 것을 막을 수 없다. 따라서 이러한 분자생물학적 기전은 기초의학자만의 개념이 아니라 임상에서 뇌졸중을 치 료하는 모든 의사가 알아야 하는 기본 개념이 되어야 한다.Reperfusion Herapy(재관류 치료)의 Time Window
뇌졸중 치료의 현재
Ischemic penumbra에서 ischemic core로 진행되는 것을 막는
것이 재관류 치료의 핵심이다. core를 살리는 것은 어려운 문제 이며 잘못하면 뇌출혈 등의 심각한 결과를 낳을 수 있다. Pen- umbra라고 해서 모두 같은 단계에 있는 것은 아니며 측부 순 환이 잘 안되거나 증상발생 이후 시간이 지날수록 core 상태 로 빠르게 진행된다. 또한 개개인에 따라서도 다른 양상을 보인다.
급성 허혈성 뇌경색에서 rt-PA를 투여할 경우 3시간 이내 에 투여해야만 임상 양상의 호전을 기대할 수 있고 3시간을 경과할 경우 그 효과에 대해서는 일관된 결과를 얻기 어렵다.
23
일과성 뇌허혈 발작(transient ischemic attack)에서는 뇌경색 후 몇 분간은 모든 뇌조직이 penumbra 단계에 있다가 우연한 기회에 의해 뇌혈류가 재개통되어 증상이 완전히 회복되는 과정을 겪는다. 일과성 뇌허혈 발작이 있던 환자들을 분석해 보면 증상의 완전한 회복은 2시간 이내에 나타나게 된다.24
따 라서 뇌경색 발생 이후 시간이 경과할수록 뇌에서 일어나는 분자생물학적 기전에 기초한 병태생리를 알아야만 환자의 치 료에 접근할 수 있다. 최근 영상기술의 발전은 재관류를 통해 도움을 얻을 수 있는 환자군을 선별하는 데 많은 도움이 되고 있다.Cortex
Striatum
Normal I/R 4 h
8-OHdG
I/R 24 h
Figure 3. To investigate oxidative DNA damage after ischemia/reperfusion in brain, 8-OHdG in the cortex and striatum were quantitated. Immunohistochemis- try of 8-OHdG (brown positive cells and arrow heads) and counter staining of nu- cleus (Methyl green) at 4 and 24 h after I/R. Scale bar=50 μm.
Figure 4. A: 4 hours after ischemia. The ischemic core is apparent but ischemic penumbra is not visible, thus the penum- bra is still viable. B: 16 hours after isch- emia without any treatment, the core ex- tends widely into cortical areas meaning
that the penumbra has been recruited. A B
Ischemic injury: 일정시간이 지나서는 뇌혈류가 다시 흐른 다고 뇌세포가 살아나지 못하는 이유
증거주의의학의 관점에서 보면, 알테플라제 등 뇌혈전 용해 제를 허혈성 뇌졸중 발생 후 약 3시간 내에 사용하여 막힌 뇌 혈류가 재개통 되면 뇌세포가 사망하여 뇌경색으로 진행되는 것을 막을 수 있다.
25
뇌혈관이 막혀 산소와 영양공급이 끊긴 상태에서 3시간을 유지할 수 있는 이유는 앞에서 언급한 is- chemic penumbra의 기전에 있다. 혈관이 막혔다고 ischemic penumbra에 산소와 영양공급이 완전히 차단되는 것이 아니 기 때문이다. 이와 반대로 ischemic core는 당연히 3~5분 내에 뇌세포가 완전히 죽게 된다. Ischemic core를 병원에서 치료 할 방법은 현재로서는 없다. 따라서 ischemic penumbra에 산 소와 영양분을 공급하는 측부순환이 얼마나 잘 유지되는가가 관건이 될 것이다. 그렇지만 ischemic penumbra의 뇌세포가 죽지 않고 유지되는 것도 무한정 되는 것은 아니고 시간이라 는 변수가 존재하게 된다. 그러면 왜 이러한 시간의 한계가 존 재하게 되는 것일까?산소와 영양분 공급이 부족하게 되면 뇌세포 안에 있는 에너 지 생성공장인 사립체(mitochondria)에서 생성하는 에너지가 절대적으로 부족하게 된다. 이때 사립체는 과도하게 에너지생 성(ATP)을 시도하게 된다. 이런 에너지 생성과정에서 자유전 자기(free radical)라는 불안전한 전하를 띤 전자들이 사립체 에서 정상보다 과도하게 새어나오게 되며 이 자유 전자기들 이 결과적으로 세포의 중요 구성 소기관, DNA 등을 손상시키 는 산화성 스트레스(oxidative stress)를 유발시킨다. 정상상태 에서는 이러한 자유 전자기들이 자유 전자기 제거단백질들에 의해 대부분 제거되지만 허혈이라는 비상 상태에서는 과도하 게 생성된 자유 전자기의 급속한 증가와 더불어 자유 전자기 제거 단백질(freeradical scavenger)의 생성자체도 원활치 못 하게 되고 산화성 스트레스는 정상의 수십배에 해당하는 양 으로 일어나게 되어 결과적으로 세포손상이 일어나게 된다.
이러한 이유로 대부분 ischemic penumbra가 3시간 이후 세포 사망에 이르기 때문에, 뇌허혈발생 3시간 이후의 뇌혈류 재개 통은 무의미하다.
11,12,22,26
Reperfusion injury: 일정시간이 지나서 재관류를 할 경우 뇌손상이 더 심해지는 이유
3시간이 지나서 뇌혈류를 재관류시키면 어떻게 되는지 알 아보자. 여기에는 더욱 심각한 세포손상을 일으키는 재관류 손상(reperfusion injury)이라는 기전이 숨어 있다. 그러므로 일정시간이 지난 후의 재관류 치료는 매우 신중하게 시도되 어야 한다.
앞에서 언급했듯이 뇌허혈이 생긴 후 3시간 내에 재관류를
해주면 뇌경색으로 진행되는 것을 막을 수 있다고 알려져 있 다. 뇌동맥이 막힌 후 3시간까지는 허혈후 산화성 스트레스에 의한 세포손상을 세포자체내의 방어 및 복구시스템이 가동된 다. 또한 자유 전자기 제거단백질들이 아직 고갈되지 않았으 며 자유 전자기에 의해 손상된 DNA도 복구 효소들에 의해 충 분히 복구가 될 수 있는 상황이다. 그러므로 혈류가 재공급 된 다면 뇌세포는 더 이상의 손상이 발생치 않으며 세포사망을 막을 수 있게 된다. 하지만 허혈발생 3시간 후면 DNA와 사립 체의 비가역적 손상뿐만 아니라 기능제한도 발생하게 되고 손 상된 DNA 복구효소들과 자유전자기 제거효소들도 거의 고 갈상태에 이르게 된다.
11,17
이러한 상태에서 혈류가 재개통 되 면 사립체에 에너지 생성원료인 산소와 포도당이 과도하게 공급되어 에너지 생성과정에서 자유 전자기들이 급격히 발생 하게 된다. 더욱이 자유 전자기들을 제거할 수 있는 제거 단백 질들과 DNA 복구효소들도 이미 고갈되어 방어시스템이 전혀 없이 산화성 스트레스에 노출된다. 이러한 재관류 손상기전 에 의해 일정시간이 지난 후 재관류 치료는 오히려 환자에게 심각한 문제를 야기할 수 있다.27,28
실험적으로 중대뇌동맥을 폐색시킨 뇌조직의 경색과 사립체 손상을 보면 일정시간 후 재관류를 시킨 결과보다 뇌경색과 사립체 손상이 적은 것을 알 수 있다. 이러한 이유로 뇌허혈 후 일정 시간 이후(보통 3시 간)의 재관류 시도는 매우 조심스럽고 충분한 연구결과를 선 행하고 이 연구들의 충분한 결과를 바탕으로 시도되야 하는 문제로 보인다.3시간 이후의 치료방법: 일정시간 경과 후 허혈성 주변부를 살릴 수 있는 가능한 방법들의 시도
미국의 경우 급성 허혈성 뇌졸중이 발생한 경우 혈전용해 제의 3시간 이내 투여율이 약 3% 정도로 알려져 있다. 이것은 허혈성 뇌졸중 환자 100명 중 3명만이 치료를 받는 비율로 급 성기 뇌졸중 치료가 매우 힘들다는 것을 의미한다.
25,29,30
최근 발달한 기술 중 뇌 MRI를 찍게 되면 혈류만이 감소된 부위, 즉 ischemic penumbra를 알 수가 있다.
따라서 이러한 ischemic penumbra가 영상학적으로 나오 게 되면 이 부위를 살리기 위해 혈관 혈전용해제를 사용하여 막힌 혈관의 재개통을 시도하고 있다. 하지만 이 문제는 그렇 게 간단하지 않다. 영상학적으로는 세포가 아직 살아 있는 것 같은 부위도 일정 시간, 즉 대부분 3시간이 지난 상태에서는 내부 방어 및 복구 시스템이 이미 고갈된 상태로 DNA가 심 각한 상태에 이르러 앞서 설명한 세포자살을 위한 스위치가 켜진 상태이다. 그러므로 근본적인 치료인 세포사망에 관련 된 스위치를 끄지 않는다면 일정시간이 지난 후 세포는 반 드시 죽게 된다.
23,24,31,32
따라서 재관류 손상에 의한 기전을 배제하더라도 재관류를 통한 산소와 영양을 공급하는 것은 아무런 의미가 없다. 또한 ischemic penumbra에 대한 관찰없이 3시간이 지난 환자의 막
힌 혈관에 혈전용해제를 투여하는 것은 과학적인 근거가 부 족한 치료이다. 심정적으로는 막힌 혈관을 뚫어주는 것이 옳 을 것 같지만, 앞서 설명한 과학적인 근거들로 인해 단순 혈 관 재개통술만으로는 효과를 볼 수 없으며 세포자멸사를 일 으키는 일련의 과정을 막고 세포사망 스위치를 끄는 방법이 동반되어야 한다.
근본적인 치료방법을 개발하고 세포자살 스위치를 끄기 위 해, 본 연구진은 최근 많은 연구를 진행하고 있다. 그 중 DNA 치료를 통한 세포자살을 억제하는 기술을 개발하고 있다.
DNA가 oxidative stress에 의해 damage를 입을 경우 base ex- cision repair를 통해 DNA를 복구하는 Apurinic/apyrimidinic endonuclease/Redox factor-1(APE/Ref-1)이라는 효소가 있다.
APE/Ref-1는 DNA repair enzyme으로 oxidative stress 등과 같은 해로운 자극에 의해 발생하는 DNA apurinic/apyrimi- dinic(AP) site를 repair한다.
33,34
허혈 손상의 정도에 따라 APE/Ref-1의 발현이 달라지는데(Fig. 5),13
손상이 약할 경우 APE/Ref-1는 증가하여 허혈 손상에 대해 보호적인 역할을하지만
34-36
손상이 극심할 경우 APE/Ref-1은 감소하며 DNAfragmentation으로 이어진다.
17,18
우리 연구에서는 허혈손상 이후 APE/Ref-1의 감소가 세포사망과 연관되어 있음에 기 인하여 허혈 손상 후 APE/Ref-1을 인공합성하여 보충하였 다. 허혈 손상을 가한 후 1, 4, 8시간에 쥐 뇌에 합성된 APE small peptide를 직접 투여하고 뇌경색의 범위를 관찰하였다.그 결과 4시간까지는 APE에 의해 세포 사망이 감소하고(Fig.
6) 뇌경색의 범위가 확연히 줄었음을 관찰할 수 있었다(Fig.
7). 또한 AP site와 DNA fragmentation도 줄어들었다. 이는 합성 APE peptide가 세포자멸사의 시작에 관여하는 AP site 를 repair함으로써 세포자멸사의 진행을 막을 수 있음을 제시 하고 있다. 또한 이러한 분자생물학적 기술이 기존 임상에 적 용된다면 뇌졸중을 근본적으로 치료하게 됨으로써 치료의 time window가 넓어지고, 치료의 혜택이 더 많이 돌아가게 될 것이다.
Figure 5. Western blot analysis of APE/Ref-1, with β-actin as an internal control. APE/Ref-1 was detected as a single band in the whole fractionated brain after ischemia/reperfusion. Optical den- sity values of APE/Ref-1 are shown in a time-dependentmanner.
APE/Ref-1: Apurinic/apyrimidinic endonuclease/Redox factor-1.
1,600 1,400 1,200 1,000 800 600 400 200
0 Nor. 30 min 1 h 4 h 24 h
Relative optical density
*
* *
Nor.
37 kDa APE/Ref-1
45 kDa β-actin
30 min 1 h 4 h 24 h
Figure 6. Reduction of ischemic cell death by post-ischemic ad- ministration of APE peptide. Cell death assay was performed on isch- emic brain samples 24 h after ischemia/reperfusion. Vehicle, vehi- cle-treated; Post 4/8 h APE peptide treated at 4/8 h after ischemia/
reperfusion. #p<0.001 compared with vehicle. APE: Apurinic/apy- rimidinic endonuclease.
30 25 20 15 10 5
0 Vehicle Post 4 h Post 8 h
24 h after ischemia/reperfusion
Relative optical density
#
Figure 7. Reduction of ischemic infarction by post-ischemic administration of APE peptide. Infarct volume analysis was per- formed on ischemic brain samples after ischemia/reperfusion. Vehicle, vehicle- treated; Post 4/8 h APE peptide treated at 4/8 h after ischemia/reperfusion. #p<0.001 compared with vehicle. APE: Apurinic/
apyrimidinic endonuclease.
100 120 140 160 180
80 60 40 20
0 Vehicle Vehicle
Post 4 h Post 4 h
24 h after ischemia/reperfusion Post 8 h
Post 8 h
Infarct volume (mm
3)
#
결론: 새로운 Paradigm의 필요성
미국 같은 효율적인 체제로 운영되는 뇌졸중 치료 시스템 에서 조차 3시간 내 혈전용해제 투여율이 3% 미만인 상황이 고
