접수일: 2016년 5월 20일, 게재승인일: 2016년 11월 24일 책임저자: 김상준, 서울시 강남구 일원로 81
뿸 06351, 삼성의료원 재활의학과
Tel: 02-3410-6069, Fax: 02-3410-0057 E-mail: [email protected]
본 연구는 제이에스온(주)의 전임상 위탁 기술개발 지원(원내과제 번호: PHX0154481) 및 보건산업 진흥원 의료기기 기술개발 사업 의 지원(과제번호: H16C1104)을 받아 진행되었음.
백서에서 경피적 고주파 자극에 따른 온도 변화 및 조직 변화
삼성서울병원 재활의학과
김경아ㆍ문창원ㆍ송다현ㆍ김상준
Effect of Transcutaneous High Frequency Wave on the Change of Tissue Tempera- ture and Histology in Sprague-Dawley Rat
Kyung Ah Kim, M.D., Chang Won Moon, M.D., Da-Hyun Song, M.S. and Sang Jun Kim, M.D., Ph.D Department of Physical and Rehabilitation Medicine, Sam- sung Medical Center, Seoul, Korea
Objective: High frequency wave has been used in cancer treatment and cosmetic area but not in musculoskeletal pain yet. The purpose of this study is to evaluate temperature distribution according to depth and confirm safety of high frequency wave through animal study. Method: High fre- quency wave was applied to the posterior limb of 9 Sprague-Dawley rats for 20 minutes (experimental group) and no wave was used in the same number of rats for control group. Tissue temperature was measured from skin surface to 1 cm depth (surface, 1 mm, 5 mm, and 1 cm) for 5 seconds. Results: In the experimental group, temper- ature was elevated 3.2oC at skin surface, 2.87oC at 1 mm, 2.25oC in 5 mm, and 1.74oC in 1 cm depth. These were significantly different from those in the control group (p＜
0.001). There was no bulla or redness in the skin after high frequency wave stimulation and neither change of my- ocytes nor collagen degeneration was found in the tissue histology. There was no apoptosis in the skin surface and muscle layer in TUNEL assay. Conclusion: High frequency wave elevated tissue temperature from the skin to muscle layer without both histologic change and apoptosis.
(Clinical Pain 2016;15:92-96)
Key Words: High frequency, Rat, Temperature, Tissue, Safety
서 론
온도의 변화를 통해 신경전도, 혈류의 변화 및 콜라겐의 신장성의 변화를 주는 열 치료는 요통과 같은 근골격계 통 증치료의 부가적 치료로써 그 이점이 입증 되어 있다.1-4 핫 팩, 파라핀과 같은 표재성 온열 치료는 피하 체온을 3oC 상 승시키는데 반해 심부 조직인 근육과 관절에서는 1oC 상승 만 관찰되어 그 투과 깊이의 제한이 있다.5 대표적으로 사 용되는 심부열 치료인 초음파는 근육층의 7 cm까지 침투가 가능하나, 한번에 치료할 수 있는 면적이 적고 정상파의 발 생에 의한 압력의 비대칭으로 인해 조직의 손상을 초래할 수 있는 단점이 있다.6-10
고주파란 초음파와 달리, 음파의 진동에 의한 심부열이 아닌 파동이 세포나 혈액 등에 마찰을 일으켜서 열을 발생 하는 장치로, 물리적 자극이라기 보다는 생화학적 자극에 가까운 효과를 나타낸다. 현재 고주파는 온열암 치료 등의 암 환자들의 치료나 콜라겐 섬유의 재생 및 엘라스틴 섬유 의 생성으로 인한 피부주름 및 탄력 개선의 효과를 입증 받아 미용 영역에서 활발히 사용되고 있으나 근골격계 통 증에서의 사용은 아직 근거가 미약하다.11-13 근골격계 통증 에서의 고주파 이용은, 카테터 등을 이용한 요추부 디스크 위축이나 후궁관절 차단 등 연부 조직의 구조적인 변화를 일으키는 데에 사용되어 왔으며,14,15 초음파나 초단파와 같 이 경피적 자극에 따른 통증 치료에는 사용된 바가 없다.
고주파는 마찰에 의한 열을 발생시키기 때문에 초음파와 달리 표재부에서 심부에 이르기까지 열을 발생시켜 치료 부위의 범위가 보다 넓고, 혈류량 증가 등을 일으키므로, 경피적 자극 시 근골격계 통증에 대한 효과가 더 뛰어날 것으로 생각된다. 다만 고주파를 근골격계 통증에 적용시 키기 위하여는 고주파 자극 시 체 내에서 깊이에 따른 온도 변화가 정립되어야 하며, 생화학적 자극에 따른 콜라젠이 나 세포들의 변화 관찰 등 안전성이 확보되어야 할 것이다.
고주파가 인체에 미치는 영향을 수학적으로 계산하여 가이 드라인을 제시한 연구들16이 있으나, 임상에 적용하기에는 무리가 있다.
이에 우리는 Sprague-Dawley rat을 이용하여 고주파를 자극 후, 깊이 별 온도 변화를 측정하여 고주파 자극 시 깊
Fig. 1. Tissue temperature was measured from skin surface to 1 cm depth (A). High frequency wave was applied to the right posterior limb of Sprague-Dawley rat (B) and skin change was observed after stimulation (C).
이에 따른 변화들을 관찰하고, 피부 변화 및 근 조직 검사를 통하여 안전성을 보고자 한다.
연구대상 및 방법
1. 고주파 자극 실험 동물 모델
10∼11주령의 male Sprague-Dawley rat (300∼370 g) (오리엔트 바이오, 한국) 18마리를 사용하였고, 각 동물들 은 반입 후 삼성서울병원 실험동물 연구실 내 사육실에서 1주간의 순화기간을 준 후에 사용하였다. 모든 동물실험은 삼성서울병원 실험동물 윤리위원회(IACUC)의 심의 후 진 행하였다(심의번호- 20151214002).
실험군 9마리는 Zoletil (50 mg/kg)과 Rompun (10 mg/kg) 을 혼합하여 복강 내 투여로 마취한 뒤, 오른쪽 뒷다리 대퇴 부와 복부의 털을 clipper로 제거하였다. 이 후 자극 전 온도 를 측정하기 위해 알코올 솜으로 대퇴부 표면을 소독해준 뒤, 대퇴부 피부 표면과 그로부터 1 mm, 5 mm, 1 cm 깊이 의 온도를 각 5초간 온도계(BAT-7001H, MT-26/2, Physi- temp instruments Inc., NJ, USA)로 측정하여 기록한다(Fig.
1A). 효과적인 고주파 자극을 위하여 고주파 자극기의 도 자가 닿는 부분에는 전도성 젤을 발라주었다. 고주파 자극 은 HIPER-500 (제이에스온, 한국)을 이용하여 4.4 MHz, 240 Vp (peak Voltage)의 자극을 10분 자극 후 2∼3초 휴 지기를 가진 뒤 다시 10분 간 자극하였다(Fig. 1B). 이후 자극 후 온도를 측정하기 위해 대퇴부 피부 표면과 그로부 터 1 mm, 5 mm, 1 cm 깊이의 온도를 각 5초 간 측정하여 기록하였다. 대조군은 실험군과 동일하게 진행하되, 자극 후 온도를 측정하기 위해 고주파 자극기의 전원을 끈 채로 도자만 실험부위에 20분간 접촉 후 온도를 측정하였다.
2. 조직학적 실험 방법
고주파 자극 실험이 끝난 후, 실험동물은 CO2 가스로 안 락사를 하였다. 자극을 가한 부위의 대퇴부는 즉시 적출하 여 10% normal buffered formalin에 담가 24시간 동안 실온 에서 고정하였다. 이후 에탄올 탈수과정과 조직 투명화 과 정을 거친 후, 파라핀에 포매 한 뒤, 5 μm 두께로 조직 슬라이드를 제작하였다.
고주파 자극 부위의 조직학적 변화를 확인하기 위해 Hematoxylin and Eosin (H&E, Sigma-Aldrich, St Louis, USA) 염색을 시행하였다. 또한, 자극 부위의 세포 사멸을 확인하기 위해서 ApopTag Peroxidase In Situ Apoptosis Detection Kit (S7100, Merk Millipore, Darmstadt, Germany) 를 이용하여 TUNEL 염색을 시행하였다.
3. 통계
고주파 자극 전, 후 피부 표면, 1 mm, 5 mm, 1 cm 깊이 의 온도 변화에 대한 실험군 및 대조군의 차이를 알기 위하 여 군 간 자극 전후 온도 변화를 Mann-Whitney U test를 시행하였으며, p-value가 0.05 이하인 경우를 통계적으로 유의한 것으로 정의하였다.
결 과
1. 고주파 자극 전후 온도 변화 비교
실험군과 대조군 모두 자극 전 피부 표면과 1 mm, 5 mm, 1 cm의 온도는 약 32.5oC 에서 33oC 정도로 일정하였 다. 그러나 고주파 자극을 준 실험군은 자극 후 온도가 상승 함을 확인 할 수 있었는데, 각 부위별로 피부 표면은 평균 3.2oC, 1 mm 깊이 부위는 2.87oC, 5 mm 깊이 부위는 2.25oC,
Table 1. Temperature Distribution According to the Depth Before and After the High Frequency Wave Stimulation
Experimental group Control group Group difference
Before After P-value Before After P-value P-value
Surface 32.1 (29.6, 33.8) 35.0 (33.8, 41.6) 0.005 32.9 (30.4, 33.5) 32.8 (31.0, 33.4) 0.259 ＜0.001 1 mm 31.8 (30.9, 33.6) 35.0 (34.1, 40.3) 0.005 32.3 (31.6, 33.6) 32.5 (32.0, 33.4) 0.078 ＜0.001 5 mm 32.8 (31.6, 33.8) 34.7 (33.7, 39.2) 0.005 32.3 (31.5, 34.6) 32.5 (31.8, 34.3) 0.160 ＜0.001 1 cm 33.5 (32.0, 34.0) 34.7 (33.2, 37.2) 0.014 32.7 (32.0, 35.4) 32.6 (32.1, 35.2) 0.478 ＜0.003 Value: median (minimum, maximum).
Fig. 2. H&E stain of posterior thigh muscle of Sprague-Dawley rat after high frequency wave stimulation (A, ×40 magnification, B, ×200 magnification). TUNEL assay of skin and muscle of Sprague-Dawley rat after high frequency wave stimulation (C, × magnifi- cation, D, ×200 magnification).
1 cm 깊이 부위는 1.74oC 상승하였다. 실험 동물의 대퇴부 두께가 약 1.5∼2 cm정도임을 감안하였을 때, 대퇴부 근육 심부까지 고주파가 도달하는 것을 확인 할 수 있었다(Table 1). 고주파 자극기를 이용하여 자극을 가할 시, 근육 내부의
온도가 상승하며, 온도 상승 정도는 피부로부터의 깊이와 무관하게 표층 및 심층 모두 균일한 온도 상승을 유발 함을 알 수 있었으며 이는 통계적으로 유의한 차이를 보였다(p＜
0.001). 또한 고주파 자극 후 육안으로 관찰하였을 때, 자극
부위에 온열감이 느껴졌으나 수포나 발적은 없었다(Fig.
1C).
2. 고주파 자극 실험군과 대조군의 피부 및 근육 심부
의 조직학적 변화 관찰
대퇴부 조직 H&E 염색을 통해 관찰한 결과, 고주파 자 극 실험군은 대조군에 비하여 염증반응이나 수포 등은 관 찰되지 않았으며, 근 세포들 및 콜라젠의 변화 역시 관찰되 지 않았다(Fig. 2A, 2B). 또한 TUNEL assay를 통해 피부 표면과 근육층의 세포 사멸을 관찰 했을 때에도 마찬가지 로 대조군과 큰 차이가 없음을 확인 할 수 있었다(Fig. 2C, 2D).
고 찰
우리는 이번 연구를 통하여 고주파 자극 시 체 내에서 표재부에서 심부에 이르기까지 균일하게 온도 상승이 일어 나는 것을 관찰하였으며, 심부 온도를 2oC 가량 올릴 정도 의 고주파 자극에 의한 세포 손상이나, 피부 손상은 없는 것을 입증하여 화상이나 조직손상으로부터 안전성을 보여 주었다.
고주파를 이용한 심부열 치료는 오래 전부터 사용되어 왔지만 적절한 강도에 대한 평가와 조절은 과학적 근거 없 이 주관적인 경험에 의거하여 사용되어 왔으며, 고주파 자 극에 따른 온도 상승을 관찰한 이전 연구들은 주로 고주파 를 복부, 관절강등에 적용하여 단순 복강 혹은 관절강내의 체온의 상승을 관찰하였던 점과 비교 시,17 본 연구는 깊이 에 따른 온도상승의 변화를 관찰하였다는 점에서 더 큰 의 의를 둘 수 있으며, 본 연구 결과를 토대로 인체에서 고주파 자극 시 나타나는 온도상승 효과 분석의 기초를 제공할 수 있을 것으로 생각한다.
비록 본 연구에서는 근골격계 통증 치료로 사용되는 온 열 효과인 혈관 확장, 근육 이완, 통증 매개체 감소 등을 입증하지는 않았으나, 온도 상승에 따른 온열 효과는 모두 동일할 것으로 생각되므로, 콜라젠 변성이나, 세포 괴사 등 의 변화가 없는 범위 내에서의 고주파 자극에 따른 온열 효과는 근골격계 통증 완화에 기여할 것으로 생각한다.
고주파는 세포의 사멸을 일으키기도 하며 이러한 온도상 승을 통한 세포 사멸기전을 이용하여 현재 폐암, 간암 등의 치료부터 피부과 영역에 이르기 까지 사용되고 있다. 암 치 료에 사용되는 고주파 치료는 460∼480 kHz를 사용하여 심부 온도를 60oC∼100oC 상승시키며,18 피부과 영역에서 는 27 MHz의 고주파를 사용시 모공 표피 줄기세포의 손상 을 일으킨다는 보고가 있다.19 하지만 본 실험에서는 4.4 MHz의 고주파를 사용하였으며 심부 온도를 2oC 가량 올릴
정도의 자극에도 피부화상이나 세포괴사 등은 관찰되지 않 아 화상이나 조직손상으로부터 안전성을 보여주었다.
본 연구의 한계점으로는 실험 동물의 개체수가 18마리 로 적었으며 더 많은 개체 수에서의 일관된 연구결과가 필 요하다는 것이 있다. 또한 Sprague-Dawley rat의 대퇴부 두 께가 1.5 cm∼2 cm임을 감안하였을 때 1 cm 깊이에서의 온도 상승은 심부까지 열이 전달 된 것으로 고려 할 수 있 으나 표재열과 심층열을 구분 짓는 깊이를 1 cm으로 정의 하고 있다는 점과 Rat의 대퇴부 1 cm이 사람의 대퇴부 깊 이 몇 cm에 해당하는지에 대한 정확한 비교가 없다는 것을 감안하였을 때 더 깊은 부위에서의 온도 측정에 대한 연구 가 필요할 것이다. 본 연구에서는 초음파 대조군과의 비교 가 시행되지 않았으며, 고주파 열 치료의 장점인 고관절, 척추와 같은 큰 관절과 인접한 부위의 치료에 초음파 보다 용이하게 적용 가능하다는 점을 고려할 때 다양한 부위에 서 깊이에 따른 온도의 변화와 조직 손상유무에 대해 초음 파 대조군과의 비교가 필요하다.20 고주파 자극 시 깊이에 관계없이 일정한 온도 상승이 관찰되었으나 그에 따른 혈 류 증가의 여부를 관찰하지 않아, 고른 온도 상승과 함께 깊이에 관계없이 고른 혈류증가가 동반되는지 관찰할 필요 가 있다. 마지막으로 향후 임상에 적용하기 위한 통증 모델 에 적용하여 고주파의 객관적인 통증감소 효과를 입증할 필요가 있을 것이다.
결 론
우리는 본 연구를 통하여 고주파 자극 시 체 내에서 표재 부에서 심부에 이르기까지 균일하게 온도 상승이 일어나는 것을 관찰하였으며, 심부 온도를 2oC 가량 올릴 정도의 고 주파 자극 범위 내에서는 안전한 것을 입증하였다. 본 연구 를 바탕으로 근골격계 통증에 대하여 경피적 고주파 자극이 근골격계 통증에 대하여 적용 가능한 기초를 마련하였다.
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