Optically Improved Mitochondrial Function Redeems Aged Human Visual Decline (2020)

https://doi.org/10.1093/gerona/glaa155

 

해당 논문은 나이가 들수록 저하되는 시각 기능을 개선하기 위한 670nm 파장의 빛 치료법(광생체조절, photobiomodulation)을 제안한다. 연구는 특히 망막의 미토콘드리아 기능과 시각 저하의 상관관계에 주목하며, 670nm 빛이 노화된 망막의 원추세포(특히 청색 축) 및 간상세포의 기능을 향상시킬 수 있음을 확인했다. (주; 해당 연구에서 사용한 670nm 파장의 광원은 아래 이미지의 일반적으로 쉽게 구매 가능한 적색 LED 라이트이다.)

 

 

망막 노화와 미토콘드리아의 역할

1. 망막 노화

   • 망막은 인체에서 가장 높은 대사율을 가지는 조직으로, 나이가 들수록 빠르게 기능이 저하된다.
   • 약 70세에 이르면 중심 간상세포의 30%가 손실되고, 원추세포 기능은 크게 감소한다.
   • 특히 청색을 인식하는 원추세포(S-cones)는 미토콘드리아 수가 적어 노화와 질병에 더 취약하다.

2. 미토콘드리아와 ATP 생산

   • 미토콘드리아는 세포의 에너지(ATP)를 생산하며, 막 전위와 ATP 생산이 저하되면 시각 기능도 감소한다.
   • 노화된 미토콘드리아는 활성산소를 증가시켜 염증을 유발하고 세포 사멸을 촉진할 수 있다.

3. 광생체조절(Photobiomodulation)

   • 미토콘드리아는 650–1000nm의 파장을 흡수하여 ATP 생산과 막 전위를 회복할 수 있다.
   • 이전 연구에서 이러한 파장이 나이든 쥐의 망막 기능을 개선했으며, 이번 연구는 이를 인간에게 적용했다.

 

연구 방법

1. 참여자 및 그룹 분류

   • 총 24명의 건강한 남녀 참여자(28~72세)
   • 젊은 그룹(28~38세)과 노화 그룹(38세 이상)으로 분류
   • 원추세포 색상 민감도(Color Contrast Sensitivity, CCS)와 간상세포 민감도를 각각 다른 그룹에서 측정

2. 빛 노출 조건

   • 670nm 파장의 빛을 매일 아침 3분씩 눈에 비추도록 지시
   • 빛은 상용 LED로 구성된 장치를 사용했으며, 중심 망막에 집중적으로 조사
   • 실험은 2주간 진행되었으며, 빛 노출 전후로 각 기능 측정을 수행

3. 측정 항목 및 방법

   • 색상 민감도(CCS): 적색 축(Protan)과 청색 축(Tritan)을 "Chromatest" 소프트웨어로 측정
   • 간상세포 민감도: 망막 중심부에서 어두운 환경에서의 감도를 데시벨(dB)로 측정

4. 통계 분석

   • 측정값은 Wilcoxon 순위합 검정을 통해 처리
   • 나이 그룹 간 차이는 Mann-Whitney U 검정을 사용

 

연구 결과

1. 기본 관찰

   • 약 40세 이후부터 시각 기능(특히 청색 축 감도)이 급격히 저하됨
   • 젊은 그룹에서는 미토콘드리아 저하로 인한 시각적 변화가 관찰되지 않음

2. 670nm 빛의 효과

   • 청색 축(Tritan)
     • 노화 그룹에서 민감도가 평균 22% 개선(통계적으로 유의미, p ≤ 0.001)
     • 젊은 그룹에서는 유의미한 변화 없음
   • 적색 축(Protan)
     • 노화 그룹에서 10% 개선되었으나 통계적으로 유의미하지 않음
     • 젊은 그룹에서는 변화 없음
   • 간상세포 민감도
     • 노화 그룹에서 유의미한 개선(높은 민감도 수치, p ≤ 0.05)
     • 젊은 그룹에서는 변화 없음

3. 참여자 경험

   • 빛 노출 후 참여자들은 주관적으로 시각 변화나 개선을 느끼지 못했다고 보고
   • 이는 개선이 미세한 세포 수준에서 이루어졌음을 시사

 

 

Tritan(청색 축) 민감도 변화 (A, B 그래프)

• A 그래프

  • 내용: 28~68세 참여자들의 청색 축 민감도(기준값)를 측정한 그래프
  • 특징
    • 40세를 기준으로 청색 축 민감도가 크게 저하되기 시작함
    • 낮은 민감도 수치는 청색 원추세포 기능이 약해졌음을 의미
    • 670nm 빛 치료 후 그룹 전체적으로 민감도가 개선되었음을 확인

• B 그래프

  • 내용: 참여자를 40세 이하(젊은 그룹)와 40세 이상(노화 그룹)으로 나누어 분석
  • 특징
    • 젊은 그룹: 빛 노출 전후 변화가 거의 없음(미토콘드리아 기능이 아직 저하되지 않았기 때문)
    • 노화 그룹: 22% 민감도가 개선되어 청색 축 기능이 유의미하게 향상됨(p ≤ 0.001)

→ 청색 축 민감도는 40세 이후 급격히 감소하며, 670nm 빛이 노화 그룹의 미토콘드리아 기능을 활성화시켜 개선 효과를 보임

 

Protan(적색 축) 민감도 변화 (C, D 그래프)

• C 그래프

  • 내용: 28~68세 참여자들의 적색 축 민감도(기준값)를 측정한 그래프
  • 특징
    • 적색 축 민감도는 노화에도 청색 축만큼 크게 감소하지 않음
    • 빛 치료 후 전체적으로 약간의 개선이 있었지만 통계적으로 유의미하지 않음

• D 그래프

  • 내용: 40세 이하(젊은 그룹)와 40세 이상(노화 그룹)으로 나누어 분석
  • 특징
    • 젊은 그룹: 변화 없음
    • 노화 그룹: 민감도가 약간 개선(10%)되었지만, 통계적으로 유의미하지 않음(p > 0.05)

→ 적색 축 민감도는 구조적으로 안정적이어서 노화의 영향을 덜 받음. 빛 치료로 일부 개선되었으나 효과가 청색 축만큼 두드러지지 않음

 

간상세포(Scotopic) 민감도 변화 (E, F 그래프)

• E 그래프

  • 내용: 28~72세 참여자들의 간상세포 민감도를 데시벨(dB)로 측정한 그래프
  • 특징
    • 데이터의 범위가 넓지만, 일부 참여자에서 빛 치료 후 민감도 개선이 확인됨
    • 특히 노화 그룹에서 개선이 뚜렷함

• F 그래프

  • 내용: 40세 이하(젊은 그룹)와 40세 이상(노화 그룹)으로 나누어 분석
  • 특징
    • 젊은 그룹: 변화 없음
    • 노화 그룹: 간상세포 민감도가 유의미하게 향상(p ≤ 0.05)

→ 간상세포는 노화로 인해 수가 감소하지만, 빛 치료로 남아 있는 세포의 기능이 활성화되어 민감도가 개선됨

 

주요 포인트

1. 노화와 시각 저하

   • 청색 축(Tritan) 민감도는 40세 이후 급격히 저하되며, 적색 축(Protan)은 비교적 안정적
   • 간상세포(Scotopic)는 나이가 들수록 민감도가 감소

2. 670nm 빛 치료 효과

   • 청색 축(Tritan): 노화 그룹에서 유의미한 개선
   • 적색 축(Protan): 일부 개선되었지만 유의미하지 않음
   • 간상세포(Scotopic): 노화 그룹에서 민감도가 유의미하게 증가

→ 결과적으로, 670nm 빛은 노화로 인해 저하된 시각 기능(특히 청색 축과 간상세포)을 회복시키는 데 효과적임을 시사한다.

 

논의 및 시사점

1. 미토콘드리아와 시각 개선

   • 미토콘드리아의 기능 저하가 노화된 시각 기능 저하의 주요 원인임을 재확인
   • 670nm 빛이 노화된 망막에서 미토콘드리아 활동을 촉진하며 ATP 생산을 증가시킴

2. 청색 축과 적색 축의 차이

   • 청색 축의 개선 정도가 더 높았으며, 이는 청색 원추세포의 미토콘드리아 밀도가 낮아 빛 치료에 더 민감하기 때문으로 해석

3. 임상적 가능성

   • 이번 연구는 노화로 인한 시각 저하를 완화하는 데 빛 치료가 효과적임을 보여줌
   • 향후 더 큰 규모의 임상 시험이 필요하며, 특정 시각 장애(예: 당뇨성 망막병증)에도 응용 가능성 탐구 필요

 

연구 결론

670nm 빛 치료는 노화된 망막의 원추세포와 간상세포 기능을 효과적으로 개선할 수 있다. 특히, 청색 축 원추세포에서 뚜렷한 향상이 관찰되었으며, 이는 미토콘드리아의 활성을 높임으로써 이루어진 결과다. 연구는 빛 치료가 노화 및 관련 질환에서 시각 기능을 개선할 수 있는 혁신적 접근법이 될 가능성을 제시한다. 향후 임상 시험을 통해 그 효능과 한계를 더 깊이 연구해야 한다.