근위축성측삭경화증의 바이오마커

Received: June 8, 2013 / Accepted: June 21, 2013

Address for correspondence: Kim Jee Eun, MD

Department of Neurology, Seoul Medical Center, 156 Sinnae-ro, Jungnang-gu, Seoul 131-865, Korea Tel: +82-2-2276-8637, E-mail: [email protected]

근위축성측삭경화증의 바이오마커

서울의료원 신경과

김 지 은

Biomarkers of Amyotrophic Lateral Sclerosis

Jee-Eun Kim, MD

Department of Neurology, Seoul Medical Center, Seoul, Korea

KEYWORDS Amyotrophic lateral

sclerosis,

Biomarker, Proteomics, Neuroimaging, Electrophysiology

Biomarkers of amyotrophic lateral sclerosis have been focused on rapid diagnosing, monitoring disease progression and understanding the pathophysiology of this devastating disease. Final goal of biomarkers of amyotrophic lateral sclerosis is to develop the therapeutic options for amyotrophic lateral sclerosis. Up to the present, biomarkers are investigated in 3 fields: protein-based biomarkers, physiological biomarkers and neuroimaging biomarkers. Here, we will shortly describe the process of biomarkers development and their clinical utilities in amyotrophic lateral sclerosis.

서 론

근위축성측삭경화증 (amyotrophic lateral sclerosis, ALS) 은 겉질척수로, 뇌간, 척수전각세포의 점진적인 신경퇴행 으로 기인하여 구음장애, 상하지위약, 호흡곤란 등을 가져 오는 치명적인 질환으로 그 임상 양상 및 경과는 환자 별 로 매우 다양하다. 현재까지 ALS의 진단은 전적으로 임상 양상 및 진찰 소견에 의존되어 이루어져왔다 (Table 1).

최 근에 ALS의 조기 진단 및 진단율을 올리고자 근전도 검사 에서 하부운동신경의 퇴행 소견이 관찰되는 경우 이를 임상적 으로 평가된 하부운동신경 징후로 대체하여 해석할 수 있도록 하고 , 근섬유다발수축(fasciculation)을 탈신경(denervation) 소 견으로 간주할 수 있도록 한 아와지(Awaji) 진단 알고리즘 역시 근본적으로 임상 소견을 바탕으로 한 진단 방식으로 이를 적용함에도 다수의 ALS 환자들이 질환이 이미 많이

진행된 상태에 와서야 진단되는 등의 제한 점이 여전히

남아 있다.

또한, 하부운동신경징후만 관찰되는 운동신

경원질환인 진행성근육위축증(progressive muscular atro-

phy)의 1/4 환자가 발병 5년 이내에 상부운동신경 징후를

보여 추적시 ALS로 재진단 되거나,

ALS와 비슷한 임상

양상을 보이는 질환 환자의 대략 7%정도가 현재 ALS 진

단기준에 부합하여 임상 증상만으로는 ALS로 오진할 우

려가 있음이 보고된 바 있어 현재 ALS 진단기준의 한계점

은 지속적으로 논란이 되고 있다.

ALS 환자의 50%이상

이 질병 발생 이후 1년이 지나서야 만 진단을 받는다고 알

려져 있는데 ,

이러한 진단의 지체는 치료약 개발과 관련

된 임상시험을 수행함에도 이미 운동신경 손상이 진행된

상태에서 약제를 쓰게 되는 예가 많아져 임상 약제의 효

능을 확인하는데 어려움을 주게 된다 . 또한 ALS 환자의

평균 수명은 질병 발생으로부터 2-4년으로 알려져 있지만,

Table 1. Diagnostic criteria of ALS (Revised El Escorial Criteria)

Presence of

1) Signs of LMN degeneration by clinical, electrophysiological or neuropathologic examination 2) Signs of UMN degeneration by clinical examination

3) Progressive spread of signs within a region or to other regions, as determined by history or examination Absence of

1) Electrophysiological or pathological evidence of other disease processes that might explain the signs of LMN and/or UMN degeneration

2) Neuroimaging evidence of other disease processes that might explain the observed clinical and electrophysiological signs

2. Diagnostic Categories

Definite ALS: LMN and UMN signs in 3 regions

Probable ALS: LMN and UMN signs in 2 regions (some UMN signs rostral to LMN signs)

Probable laboratory-supported ALS: LMN and UMN signs in 1 region or UMN in 1 region and electromyographic LMN signs in at least 2 regions

Possible ALS: UMN and LMN signs in 1 region

ALS, amyotrophic lateral sclerosis; UMN, upper motor neuron; LMN, lower motor neuron

Figure 1. Biomarkers of ALS

10%의 환자는 10년 이상 생존하는 등 그 예후에서도 매우 이질적이라는 점은 개별적인 환자의 치료방향 결정 및 예 후를 평가하는데 방해가 된다.

ALS 질환의 활성도를 모 니터링하고 질환의 정도를 객관적으로 평가할 수 있는 적 절한 도구의 부재 역시 ALS 치료제 개발에 장애물이다.

따라서 보다 객관적으로 ALS를 진단하고, 질병 진행 속도 및 예후를 예측하게 하면서, 치료제에 대한 반응을 모니터 링 할 수 있는 도구로서의 ALS 바이오마커에 대한 필요성 은 점차 커지고 있다 . 본 논문에서는 ALS 바이오마커를 생 체시료를 이용해 측정한 분석 단백을 기반으로 한 바이오 마커, 신경생리학적 도구를 이용하여 측정하는 바이오마커, 영상학적 도구를 사용한 바이오마커 3가지로 크게 분류하 여(Fig. 1) 현재까지 연구가 된 바이오마커에 대해 간략하 게 소개하고 그 임상적 의의를 설명하고자 한다.

본 론

바이오마커란 정상적인 생리적 변화는 물론 병적인 생 체 내 변화, 치료제 사용으로 인한 약물학적 변화를 모두 감지할 수 있도록 하는 객관적으로 측정 가능한 지표를 가리킨다 (UK Medical Research Council). ALS의 이상적인 바이오마커로 활용되기 위해서는 다음과 같은 사항이 요 구된다. 임상증상이 발생하기 전이나 발생 당시와 같이 질 병 초기에 ALS를 진단할 수 있기 위한 적절한 민감도, 특 이도를 가져야 하며, 진단 초기에 예후의 좋고 나쁨과 향 후 퍼져 나갈 부위와 임상증상을 예측할 수 있어 적절한 예방적 시술(비침습적 환기 또는 경피적내시경위조루술) 을 미리 받을 수 있도록 해야 한다. 질병 경과에 따라 바 이오마커도 일정하게 변화하게 되어 질병을 모니터링 할 수 있으면서 치료제에 대한 반응을 빠른 시일 내에 보일 수 있는 것이 필요하다. 또한 바이오마커를 측정할 수 있 는 방법 자체 역시 용이하거나 침습적이지 않아야 한다.

1. 생체 시료를 이용한 바이오마커

생체 시료를 이용하여 ALS 발생 혹은 질병 경과에 따

른 특정 단백질 양의 변화를 측정하여 역으로 이의 변화

를 확인하여 진단 , 모니터링에 활용할 수 있다는 개념이

다. ALS 관련 바이오마커 연구에서 주로 사용되는 생체

시료는 혈액과 뇌척수액이다 . 혈액은 가장 손쉽게 얻을 수

있는 생체시료로 DNA/RNA 분석이 가능한 장점이 있으

며, 뇌척수액의 경우 채취 방법이 침습적이나 중추신경계

의 변화를 초기에 직접적으로 확인할 수 있는 방법이라는

Table 2. Protein -based biomarkers of ALS

Markers of impaired BBB/BSCB integrity MMP-2 & 9 ↑

Markers of Blood-CSF barrier dysfunction

Total protein ↑, albumin quotient ↑, Immunoglobulin G quotient ↑ Markers of inflammation/immune activation

IL-6, IL-8, C3/4, peroxynitrite, prostaglandin E2, Neopterin, MCP-1, G-CSF, anti-neural antibody (GM1-sulfatides) ↑ Neuroaxonal degeneration markers

NfH ↑, NfL ↑, Tau ↑, Transglutaminase acitivty↑/↓, amyloid-beta 1-42 ↓ Biomarkers reflecting Oxidative stress

4-hydroxy-2,3,-nonenal↑, 3-nitrotyrosine ↑, 8-hydroxy-2’-deoxyguanosine ↑, Cu, Zn-binding superoxide dismutase (SOD1)

↑/↓ /-, glutathione peroxidase ↑, Uric acid ↑, Glutathione ↑, Nitrate-, Free iron - Biomarkers of Neurotransmission

Glutamate ↑, Amino acid (aspartate, glucine) - Biomarkers of Neuroprotection

PEDF ↑, VEGF ↑/↓, Proganulin -/ ↑ with disease progression, Cystatin C ↓/ ↑ slow progression, TDP 43 ↑ Glial activation markers

EPO ↓, S100ß↓, Glutamine synthetase ↑ 2. Blood

Markers of impaired BBB/BSCB integrity MMP-9↑, Fibronectin↓

Biomarkers reflecting Oxidative stress 4-Hydroxy-2,3-nonenal↑, Ferritin ↑ Neuroaxonal degeneration markers

NfH ↑, transglutamine activity ↑, Transforming GF-ß↑

Markers of inflammation/apoptosis

Caspase-1 ↑,Chemokine 2/11/13↑, IL-6 ↑, IL-13 positive T cells ↑, TNF ↑,TNF receptor 1A/1B ↑ Biomarkers of Neuroprotection

Angiogenin ↑, TDP-43 ↑ Others

Insulin ↓, Insulin like GF I/II ↓, low-to high-density lipoprotein ratio ↑ 3. Urine

Collagen alpha-4 chain ↓, Collagen metabolite glucosylgalactosyl hydroxylysine ↑ 4. Saliva

Chromogranin-A ↑

CSF, cerebrospinal fluid; BBB, blood brain barrier; BSCB, blood-spinal cord barrier; MMP, metalloproteinase; IL, interleukin; C, complement factors; G-CSF, granulocyte colony stimulating factor; NfH, Neurofilament heavy chain; NfL, Neurofilament light chain;

PEDF, pigment epithelium-derived factor; VEGF, vascular endothelial growth factor; TDP, transactive response (TAR)-DNA binding protein; EPO, erythropoietin; GF, growth factor; TNF, tumor necrosis factor; ↑, increased; ↓, decreased; -, no significant alteration

장점이 있다 . 그 외 생체시료로 ALS에서 연구가 된 것으 로는 소변, 타액, 피부 섬유모세포, 근육 등이 있다. ALS 환자의 생체시료로 확인하고자 하는 후보 바이오마커는 단백응집, 신경염증, 축삭 전달 기능 이상, 칼슘 항상성 장 애 , 세포질그물 스트레스, 산화스트레스로 인한 미토콘드리아 기능 이상 , 골지체 분절, 흥분독소 등 모든 ALS 병리기전에 관여하는 중간 또는 최종 물질들이 될 수 있다(Table 2).

바이오마커로 활용이 예상되는 단백의 변화를 확인하 기 위해 가장 쉽게 할 수 있는 방법은 해당 단백에 대한 항체를 활용하는 것이다. 임상에서 ALS 환자의 시료 내의 단백 농도의 변화를 보기 위해 정량적 효소면역법 (Enzyme- Linked-Immune-Sorband assay, ELISA)을 가장 흔히 적용

하고 있다. 정량적 효소면역법으로 연구된 대표적인 ALS

바이오마커는 인산화된 중쇄신경미세섬유(phosphorylated

neurofilament heavy chain, pNfH)이다. pNfH는 ALS환자

의 뇌척수액 및 혈액에서 대조군과 비교할 때 유의하게

상승되어 있었으며 , pNfH의 상승 정도로 ALS와 정상군을

구분할 때 뇌척수액의 경우 민감도 71%, 특이도 88%를, 혈

액에서는 민감도 58%, 특이도 89%를 보였다.

또한 pNfH

의 상승정도는 ALS-functional rating score(ALS-FRS)로 표

현하는 임상 증상의 중증도와 비례하여 변화하였으며,

pNfH가 상승되어 있는 경우 질병 진행 속도가 빠른 것으

로 알려졌다.

여기서 pNfH의 상승은 축삭 손상의 정도

를 반영하는 것으로 , pNfH는 축삭 손상으로 세포 골격 단

백이 세포외공간으로 나와 혈액 또는 뇌척수액에서 측정 되는 것이다 . 하지만 ELISA로 측정한 뇌척수액의 pNfH는 ALS와 임상 양상이 비슷한 다른 질환들을 구분할 수 있는 최대 민감도와 특이도는 80% 정도에 불과하여 ALS에 진 단에 활용하는 데에 한계점이 있다.

여러 개의 단백 항체를 동시에 사용하는 다중 면역분석 법(multiplex immunoassay)을 이용하면 여러 후보 단백질 을 한 개의 시료로 측정할 수 있는데, 이를 이용해 발견된 대표적인 ALS 후보 바이오마커는 여러 조합의 사이토카 인(cytokine)과 케모카인(chemokine)이다. ALS 뇌척수액 에서 14개의 사이토카인과 성장인자를 분석했더니 IL (interleukin)-6, Granulocyte-macrophage stimulating factor (GM-CSF), IL-2, IL-15, IL-10 5개의 변화를 이용하면 90% 정도의 정확도로 ALS를 대조군으로부터 구분할 수 있다고도 주장된 바 있다 .

또한 다중 면역분석법으로 확 인하였을 때 ALS 환자의 뇌척수액에서 monocyte chemo- attractant protein-1 (MCP-1)이나 IL-8이 비염증성 신경학 적질환 환자에서 비해 높게 측정되었다.

하지만 이러한 다중 면역분석법을 이용한 결과들은 실험실 마다 결과의 차이가 크며, 해당 연구들이 소수의 환자를 대상으로 한 연구라는 점에서 위 인자들을 ALS 바이오마커로 활용하 기에는 추가적인 연구가 필요하겠다.

생체시료의 단백물질을 바이오마커로 개발하기 위한 또 다른 시도로는 위의 측정 단백 물질을 조합하여 특정 두 단백의 비율을 확인, 비교하는 것이 있다. pNfH와 보체 성 분 3 (C3)의 비 또는 아교세포에서 기인하는 두 종류의 단 백질인 CD14와 S100의 비를 ALS 진단 및 예후 측정에 활 용하는 것이 보고되었는데, pNfH만을 ALS 진단에 활용하 는 경우보다 pNfH와 C3의 비를 기준으로 대조군과 비교 하는 것이 민감도를 91%정도로 더 끌어 올릴 수 있다고 하였다.

최근에는 질방분석법 (mass spectrometry)을 이용한 단백 분석을 이용하여 몇 가지 ALS 후보 바이오마커들이 개발 되기도 하였다. 셀디토프 질방분석기(Surface-enhanced la- ser desorption/ionization-time of flight mass spectrometry, SELDI-TOF-MS)를 이용하여 ALS 뇌척수액의 단백물질 을 확인한 연구에서 높은 진단 예측치를 가진 3개의 단백, transthyretin, cystatin, 신경내분비 단백인 7B2가 발견되었 다.

비교적 대규모의 ALS cohort 환자를 대상으로 SELDI- TOF-MS 방법으로 뇌척수액 내 단백 물질을 대조군과 비 교한 연구에서도 cystatin C와 transthyretin을 이용하면 ALS 진단정확도 82%를 얻을 수 있었다.

2차원 전기영동 (2-dimensional difference in gel electrophoresis)와 말디토

프 질량분석기(Matrix-assisted laser desorption ionization time of flight mass spectroscopy, MALDI-TOF-MS)를 이용 하여 ALS 환자의 뇌척수액 단백질을 분석하여 빠른 진행 을 보이는 ALS와 느린 진행을 보이는 ALS에서 차이를 보 이는 fetuin-A와 transthyretin 두 단백질이 발견되어 ALS 의 후보 바이오마커로 소개가 되기도 하였다 .

생체 시료 에서 관찰되는 단백질이 바이오마커로서의 기능을 가지려 면 정상이나 다른 질환에 비해 ALS에서 농도 차이가 있어 진단을 가능하게 함은 물론 치료제나 질병 경과를 모니터 링 할 수 있도록 시간에 따라 , 또는 치료효과에 따라 농도 가 변화하는 특징을 갖는 것 역시 중요하다 . 후보 단백질 농도의 장기적인 추적 평가를 시행한 연구는 많지 않으나 뇌척수액 Cystatin C의 농도가 질병진행속도와 연관성 있 게 변화함과 초기 cystatin C 농도가 생존기간을 예측할 수 있음이 발표된 바 있다.

생체 시료에서 단백 물질의 변화를 관찰하여 이를 진단 과 모니터링에 활용하는 것은 위의 여러 연구들에서 보이 듯이 기대가 크다 . 하지만 이들 단백질을 바이오마커로 활 용하기 위해서는 여러 실험실에서 대규모의 ALS환자를 대상으로 한 전향적 연구를 통해 반복적으로 확인되는 것 이 필요하며, 시료 수집 및 분석에 표준화된 방법을 정립 하고 이를 향후 연구들에 공통적으로 활용하는 것이 필요 하다. 또한 후보 단백물질에 대한 임상증상과의 연관성을 확인하고, 시간에 따른 후보단백질의 변화를 추적하는 추 가적인 연구도 아직은 필요한 단계이다.

2. 신경생리학적 검사를 이용한 바이오마커

ALS에서 발병에 따라 주요 변화가 일어나는 척수 및 운

동피질 신경원의 전기생리학적 기능을 평가하여 ALS를 다

른 질환들과 구분하고, 질환의 경과 및 치료에 대한 반응을

모니터링 할 수 있는 방법들이 소개되어 있다. 고전적으로

는 하부운동신경의 기능을 평가하는 근전도 검사가 있겠는

데, 이는 진행되는 하부운동신경의 퇴행이나 축삭 손상을

나타내는 세동전위(fibrillation potential), 양성예파(positive

sharp wave)을 관찰하거나 신경재분포(reinnervation)을 의

미하는 다상의 큰 진폭을 가지는 운동단위활동전위를 관

찰하여 평가하는 방식이다 . 하지만 ALS 환자에서 증상 발

생 후 처음 진단을 목적으로 근전도 검사를 하였을 때 근

전도 검사의 진단 민감도는 60% 정도에 불가하며,

근전

도 검사 소견으로는 질병의 경중이나 경과에 따른 변화를

확인하기는 어렵다 . 따라서 근전도 검사 외에 신경생리학

적인 검사 도구를 이용하여 운동단위의 기능을 비침습적

으로 간단하게 검사하고, 추적할 수 있는 재현성 높은 방 법의 개발이 절실히 필요하다. 이와 같은 요구에 대해 최 근 연구가 된 신경생리학적 검사들을 설명하고자 한다.

1) Motor unit number estimation (MUNE) and Motor unit number index (MUNIX)

MUNE는 개별 근육에 분지하는 운동단위의 수를 정량 적으로 측정하도록 고안된 방법이다. MUNE는 검사 근육 에 최대전기자극을 주어 모든 운동단위를 흥분하게 하여 최대 복합운동활동전위를 구하고, 이를 각각의 단일 운동 단위전위(single motor unit potential, SMUP)를 평균한 값 으로 나누면 근육에 분지하는 운동단위 수는 간접적으로 구할 수 있다는 개념을 바탕으로 한다. MUNE를 시행하는 방법은 평균 SMUP를 구하는 방법에 따라서 나누어지며, 이에는 Incremental stimulation MUNE, F-wave measure- ment, Multiple point stimulation, spike triggered averaging, statistical method 등이 있다. MUNE 값을 ALS 바이오마 커로 활용하는데 가지는 큰 장점은 MUNE 값 자체가 근 력, 호흡기능을 평가하는 강제폐활량, 근위축이나 신경전 도검사상 복합운동활동전위의 변화가 나타나기 이전부터 초기에 가장 먼저 변화를 관찰할 수 있다는 점이다.

실제 로 MUNE 값이 정상의 10% 미만이 되어서야 비로서 신경 전도검사상 복합운동활동전위의 진폭이 감소 및 근위축이 나타난다 .

또한 MUNE 값의 변화는 ALS 환자 추적 기간 동안 ALS-FRS, Medical research council (MRC)척도, 강제 폐활량, 복합운동활동전위의 값의 변화보다 큰 폭으로 변 화하여 그 변화 정도를 관찰 추적하기 용이한 점이 있

다.

이를 이용하여 MUNE 값의 변화 속도나 질병기간

을 고려한 평균적인 MUNE 값과 측정 MUNE 값의 비를 이용하여 ALS 환자 중 빠른 진행을 보이는 군과 그렇지 않은 군을 구분하고 생존기간을 예측할 수 있다는 보고가

있다.

ALS 후보치료제로 celecoxib의 효과를 평가하

는 임상연구에서 MUNE 값을 치료약효과평가를 위한 마 커로 활용한 바가 있는데, 당시 statistical method의 방법으 로 측정하는 SMUP가 질병기간이 진행함에도 수치가 변 화하지 않아, 위 방법으로 측정한 MUNE값으로 치료제 효 과 모니터링을 하기에는 어려움을 확인하고, 이후 multi- point incremental MUNE방법을 이용하여 측정된 MUNE 값을 사용할 것을 추천한 바 있다.

MUNE는 현재 유 력한 ALS의 바이오마커로 활용될 가능성을 보이고 있으 나, MUNE 측정에 숙련된 기술을 요하고, 측정시간이 길 다는 점, 근전도 바늘을 찌르거나 수백의 전기 자극을 주 는데 환자의 불편감을 야기한다는 단점이 있다.

MUNIX는 역시 운동단위의 수를 측정하는 방법으로 MUNE가 분석에 평균 SMUP를 이용하는 것과 달리 MUNIX에서는 근육을 자발수축을 시킨 이후 피부 표면에 서 측정한 간섭현상을 가지고 분석하게 된다. MUNIX는 MUNE에 비해 5분 미만의 짧은 시간에 수행할 수 있으며, 비침습적이고 , 전기 자극을 최소한으로 주어 분석을 한다 는 점에서 장점이 있다 . MUNIX의 수치는 동일 검사자의 반복 검사뿐 아니라 다른 검사자의 검사 결과와 비교할 때도 적절한 재현성을 보였으며,

MUNE와 MUNIX의 수 치는 서로 연관성 있게 변화하며 , ALS환자에서 질병경과 에 따라 동일한 감소속도를 보여 비교적 간단히 측정이 가능한 MUNIX의 바이오마커로서의 활용성을 시사한 바 있다 .

2) Neurophysiological index (NI)

NI는 ALS환자에서 근위축 정도와 비례하여 복합근활 동전위 진폭은 감소하고 말단잠복기는 증가 , F-파의 형성 장애가 생긴다는 점에 착안하여, 자신경과 새끼벌림근에 서 측정된 신경전도검사의 수치를 이용하여 수학적으로 계산하는 수치이다. NI은(복합근활동전위/말단잠복기) X (20회 자극시의 F-파 반응빈도)로 정의하게 되므로 NI 자 체는 전술한 MUNE와 같이 살아있는 운동단위의 수를 반 영하지는 못한다 . 단일기관에서 소수의 ALS 환자를 대상 으로 한 연구에서 NI가 질병 진행에 따라 민감하게 감소 함을 확인할 수 있었으며 , NI는 새끼벌림근의 근력과 강 한 상관관계를 보였다.

하지만 아직까지 ALS환자에서 NI를 이용한 다기관 임상시험은 이루어지지 않았으며, ALS 바이오마커로의 NI는 아직 타당성 검증(validation) 단계에 와 있다.

3) Electrical impedance myography (EIM)

EIM은 ALS 환자에서 근위축 등으로 인해 근육조직내의

구성이 변화하게 되면 근육내 국소교류저항 (impedence)의

변화도 생기게 된다는 가정을 기반으로 한다 . EIM는 고빈

도, 저강도의 전류를 팔 또는 다리에 흘리고 자극을 준 부

위와 일정거리 떨어져 있는 근육에서 전기신호를 기록하

여 그 위상 (phase)와 들이저항(reactance)을 분석하여 측정

한다 . EIM은 비침습적으로 시행이 가능하고, 단시간에 측

정할 수 있으며, 검사 수행이 쉽고, 어떠한 표면근육에서

도 시행 , 결과도 재현성이 높다는 장점이 있다. ALS를 대

상의 EIM을 시행한 한 종적연구에서 EIM으로 측정된 값

은 반복 검사시에도 결과가 일정함과 ALS 환자의 질병 경

과에 따라 연관성있게 변화한다고 알려졌다.

ALS 치료

제 사용의 효과를 확인할 때 ALSFRS-R나 global manual muscle testing와 비교해서 EIM은 해당 약제의 치료효과를 더 민감하게 반영할 수 있으며,

ALS 환자의 가장 빠르게 진행하는 근육에서 EIM의 위상을 측정하여 비교한다면 ALSFRS-R을 사용하여 치료 효과를 분석할 때 보다 훨씬 적은 환자수로 성공적인 치료 효과를 확인 할 수 있는 것 으로 주장되었다.

4) 축삭돌기 흥분성(Axonal excitability)

임계값 트래킹 방법(threshold tracking technology)을 사 용하여 축삭돌기 흥분성을 측정하면 전기자극을 주는 부 위의 막전위와 해당 말단 축삭의 생리적 기능 정도를 알 수 있다. ALS 환자에서 축삭돌기 흥분성은 정상군과 차이 가 있으며, ALS 동물 모델뿐 아니라 산발성 및 가족성 ALS 환자에서 나트륨통로를 통한 나트륨의 지속적인 이 동 증가가 관찰되어 이로 인한 축산 탈분극과 축삭돌기 흥분성 증가가 나타남이 보고되었다.

하지만 축삭돌기 흥분성 측정값은 환자 또는 매회 검사 시마다 결과의 변 동이 크며, ALS 환자에서 질병 경과에 따른 축삭돌기 흥 분성의 연관성 있는 변화를 확인할 수 없었다는 점에서 아직은 ALS 바이오마커로 활용하기에는 제한점이 많다.

5) 경두개자기자극(Transcranial magnetic stimulation, TMS) TMS는 전자기 유도를 이용하여 운동피질부터 척수까 지의 ALS 관련 뇌신경회로의 기능을 평가하는 방법으로 상부운동신경 기능 이상을 측정할 수 있는 대표적 검사방 법이다. ALS 환자에서 상부운동신경의 이상을 나타내는 TMS 지표로는 central conduction time, cortical motor threshold, cortical silent period가 임상에서 사용되고 있다.

임상적으로 뇌신경부위에서 상부운동신경징후를 보이지 않은 ALS 환자의 70%에서 central conduction time이 연장 되어 있음이 보고된 바 있고, 그 외 소수의 ALS를 대상으 로 한 단일 기관연구에서 ALS에서 central conduction time 이 연장되고, cortical motor threshold가 감소되어 있음이 알려졌다.

하지만 ALS 환자에서의 central conduction time의 변화에 대한 대규모 다기관 연구가 진행된 바가 없 으며, central conduction time 자체는 질병경과나 질병 중 증도에 따라 연관성 있게 변화하지 않는다고 알려져 cen- tral conduction time을 바이오마커로 활용하기에는 아직까 지 한계점이 있다.

Cortical silent period는 ALS에서 감소 되어 있다고 알려졌으며 , 이는 ALS 환자의 대뇌피질의 과 잉민감성(hyperexcitability)을 간접적으로 의미한다. SOD1 유전자변이가 있는 가족성 ALS에서 증상 발생 전에도

cortical silent period는 감소되어 있으며,

cortical silent period를 이용하여 케네디병과 임상적으로 하부운동신경 증상만 관찰된 fail arm ALS를 구분할 수 있다고도 소개 되기도 하였다 .

3. 영상학적 검사를 이용한 바이오마커

ALS의 진단의 중요한 기준인 하부운동신경 침범의 경 우 일부 근전도 검사와 같은 전기생리학적 도구를 이용하 여 객관적으로 평가하는 것이 가능하지만, 상부운동신경 침범를 확인할 수 있는 객관적인 도구가 없다. 뇌자기공명 영상검사(Magnetic resonance imaging, MRI)을 응용한 최 신의 여러 검사 방법들은 이러한 상부운동신경의 침범을 확인할 수 있는 도구로 주목을 받고 있다. 기존의 고전적 인 MRI는 주로 ALS 와 비슷한 임상 양상을 보일 수 있는 두개저병변이나 , 경수증(cervical myelopathy), 흉부, 요부 의 신경근병증 등의 질환을 감별하려는 목적으로 대부분 의 ALS 환자에서 시행되었다. 그 외에 특정 MRI 소견을 가지고 ALS를 진단하는데 도움을 얻고자 하는 노력도 있 었는데 대표적으로 ALS 환자의 겉질척수로의 변성을 T1, T2 강조 영상이나 액체감쇠역전회복영상(fluid-attenuated inversion recovery, FLAIR) 영상에서 확인하는 것이다. 하 지만 MRI 영상에서 속섬유막(internal capsule) 등 겉질척 수로 경로를 따른 신호 이상을 보이는 것은 상당수의 정 상환자 또는 간부전 환자에서 관찰되는 등 그 민감도는 40% 이하, 특이도는 70% 이하에 불과하다.

그 외에도 T2 강조 및 FLAIR 영상에서 중심앞이랑(precentral gyrus) 에 얇은 저 신호강도를 보이는 선(“motor dark line”, “ hy- pointense rim”) 또는 중심앞이랑 피질하에 고신호강도를 보이거나 위축이 있는 것 , T1 강조 영상에서 경수의 앞외 축기둥 (anterolateral column)에서 고신호강도를 보이는 것 이 ALS에서 특징적으로 관찰된다고 소개되었지만, 이는 모두 민감도, 특이도가 낮아 ALS 진단에 사용하기는 어렵

다.

최근에는 대뇌부위를 자동적으로 분할하여 대뇌

백색질 및 회색질의 부피를 정량적으로 측정하여 ALS환 자와 대조군의 대뇌위축 정도를 비교하는 Voxel-based morphometry 방법도 소개되었다. 이는 상부운동신경의 침 범을 확인하기 위한 것이라기 보다는 겉질척수로 경로 외 의 비운동 (non-motor) 부위의 변화를 확인하는데 적합한 방법이다.

1) 확산텐서영상(Diffusion Tensor imaging, DTI)

DTI는 3차원 공간에서의 물분자의 움직임을 정량적으

로 기록하는 MRI의 한 종류로서 살아있는 대상물에서 생 체 내 병리를 비침습적으로 확인할 수 있는 도구로 ALS 분야에서도 많은 연구가 이루어져 있다. 뇌백질에서 물 분 자는 세포막이나 세포구조물의 장벽에 의해 일정 방향으 로만 더 크게 움직이게 되는 데, 예를 들어 신경섬유다발 내의 물 분자는 신경섬유와 평행한 방향으로 확산이 더 잘 되는 비등방성을 보이게 된다. 이 비등방성의 정도를 정량적으로 평가하는 것이 DTI다.

DTI로부터 얻을 수 있는 정량적 지표 중 가장 많이 연구가 되는 것은 frac- tional anisotrophy (FA)로 FA 값은 전체 확산텐서와 비등 방성을 가지는 확산텐서의 비를 가리킨다.

따라서, 확산 비등방성이 커질수록 FA 값은 1에 가까워지며, FA의 감 소는 해당 신경섬유구조의 손상을 의미하게 된다. ALS를 대상으로 한 DTI 연구들에서 겉질척수로의 특정 부위를 Region-of-interest (ROI) (예: 대뇌다리, 속섬유막)로 잡아 해당부위의 평균 FA 값을 비교하는 방식과, 뇌백질 내의 신경섬유 연결성을 기반으로 삼차원 신경섬유지도를 그리 는 신경섬유추적지도(tractography)를 만들고, 이를 바탕으 로 겉질척수로를 분리하여 FA를 구하는 방식 모두에서 겉 질척수로를 따라 ALS 환자의 FA값이 정상군에 비해 감소

되었다.

특히 속섬유막뒤다리(posterior limb of internal

capsule)의 FA 감소가 ALS 환자에서 두드러진다.

일부 연구에서는 측정된 ALS 환자의 FA 값은 증상의 중증도 와, 질병 진행 속도 그리고 임상적, 전기생리학적으로 평 가된 상부운동신경징후의 중증도에 비례하는 것으로 보고

하였다.

또한, FA의 감소는 겉질척수로에 국한되지 않

고, 뇌량, 전두엽 및 측두엽의 백색질, 대뇌섬(insular), 해 마이랑 등의 운동회로 외(extramotor) 부위에서도 관찰되 었다.

살펴본 바와 같이, 뇌 및 척수 내에서 측정된 FA는 ALS를 진단, 경과를 모니터링하고, 예후를 예측하는데 중 요한 바이오마커로 활용될 가능성이 높으나, 아직 임상에 이용하기에는 추가적인 타당성검증이 필요하다.

2) 기능적 자기공명영상(Functional MRI, fMRI)

fMRI는 대뇌 특정부위의 헤모글로빈의 산소화 또는 탈산소화 정도에 따른 자성의 변화를 기록하여 비침습적 으로 국소 신경 활성화 정도를 정량적으로 평가하는 방 법이다(Blood oxygenation level-dependet (Bold) fMRI).

이는 신경이 활성화되면 산소소비가 늘면서 이차적으로 T2 강조영상신호의 변화와 같은 상자성(paramagnetic) 효 과를 가져온다는 점을 바탕으로 한다. ALS 환자에서 손 을 움직이려는 가상을 시키고 특정 운동시 대뇌부위의 활동성이 변화하는 부위를 fMRI로 확인한(task-based

fMRI) 한 연구에서 ALS에서 운동앞겉질의 활성도가 증 가되어 있고 , 6개월 경과 뒤 활성 부위가 운동앞겉질 주 위로 확산된 것을 확인하고, 이를 신경손상에 따른 운동 기능을 보완하기 위한 신경형성성 (neuronal plasticity)에 의함이라고 주장한 바 있다.

이 밖에도 안정시 fMRI (resting-state fMRI)를 이용하여 ALS 환자에서 감각운동 네트워크와 반구간연결성의 장애를 보고한 바 있다.

fMRI는 ALS 환자에서 신피질의 정교한 기능 장애가 발 생한다는 가설을 확인하기 위한 중요한 도구로 활용될 수 있다.

3) 수소자기공명분광분석(Magnetic resonance spectroscopy, MRS)

MRS는 생체 내 신경 부위의 특정 대사물 농도를 가지 고 신경퇴행성 변화 정도를 정량적으로 평가하는 방법으 로 흔히 뇌 대사물 중 신경구조물의 유지 정도를 반영하 는 N-acetyl aspartate (NAA), 세포 증식과 세포막의 순환 에 관여하는 choline (Cho), 조직의 에너지 상태를 반영하 는 creatine (Cr), 그리고 별아교세포마커인 myoinositol을 정량화하게 된다. MRS에서는 운동신경 기능의 손상 정도 를 NAA 농도의 감소나 NAA:Cr과 NAA:Cho 비율의 감소 로 평가하게 되는데 , 운동신경원질환 환자의 일차운동피 질, 대뇌부채살에서 NAA:Cr의 비가 감소된 바 있으며,

운동피질에서 측정된 NAA 농도와 그 비율이 ALS 임상 양상 정도와 연관성을 보였다 .

리루졸을 단기간 사용하 여 MRS의 NAA:Cr 가 증가함을 확인한 한 연구의 결과는 MRS의 ALS 치료제 효용 판별을 위한 바이오마커로서의 가능성을 강력히 시사한다.

하지만, MRS의 시행을 위해 서는 고숙련된 전문가가 필요하다는 점, 측정값이 정상인 에서 관찰되는 측정값과 교차되는 부분이 크다는 점에서 아직 한계가 있다 .

4) 양전자 단층 촬영(positron emission tomography, PET)

상부운동신경징후를 보인 ALS환자에서

F-Fluorodeoxyglucose

를 이용한 PET을 촬영하여 대뇌 특정부위의 포도당 대사

변화를 확인하였을 때 대뇌 전반적에 진행되는 대사 감소

가 있음이 밝혀진 바 .

또한 특정신경집단에 선택적으로

반응하는 방사성 트레이서를 이용하여 ALS 병인 기전 연

구에 활용하기도 한다. GABA

수용체의 마커인 flumaze-

nil을 사용하여 ALS 환자에서 대뇌피질의 억제 기능이 손

상된 것을 확인한 바 있으며,

활성화된 미세아교세포(mi-

croglia)에서만 발현되는 benzodiazepine 수용체를 타겟으

로 하는 PK11195를 사용하여 ALS 환자에서 대뇌 전반에

신경 염증성 변화가 있음을 비침습적으로 밝히기도 하였 다.

하지만 PET 사용은 방사선물질을 만들 전문시설이 드물다는 점, 검사 시 방사능에 노출된다는 점, 동맥 내 방 사선물질의 주입과 채혈이 필요하다는 점이 단점으로 지 적된다.

결 론

이상에서 살펴본 바와 같이 ALS의 바이오마커를 개발 하고자 하는 노력은 생체시료의 단백을 분석하는 데서부 터 신경생리학적 검사와 영상학적 검사를 이용하는 데에 이르기까지 다방면에서 적극적으로 진행되고 있다. 아직 은 대부분의 ALS의 바이오마커들이 진단, 추적 등의 목적 으로 임상에 적용하기에는 한계점이 있으나, 이는 대규모 환자를 대상으로 한 다기관 연구의 진행, ALS 바이오마커 의 종적 추적 연구, 검사 기법에 대한 표준화, 다양한 바이 오마커의 조합을 이용한 연구 진행을 통해 그 타당성을 인정받을 수 있을 것이라 기대된다.

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