Treatment with 670 nm Light Up Regulates Cytochrome C Oxidase Expression and Reduces Inflammation in an Age-Related Macular Degeneration Model (2013)

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0057828

 

나이가 들면서 나타나는 대표적인 안질환인 황반변성(AMD)은 눈의 중심 시야를 담당하는 황반 부위의 세포 손상 및 염증으로 인해 시력 감퇴를 유발한다. 이 연구는 670nm 파장의 빛이 AMD를 앓는 모델 마우스에서 염증을 줄이고 미토콘드리아 효소 발현을 증가시켜, 세포 손상을 완화하는지 평가했다. 특히, 기존 연구와 달리 이번 실험에서는 직접적인 빛 노출 없이 환경 조명으로 빛을 제공했음에도 치료 효과가 있었음을 확인했다.

 

쉬운 요약

• 670nm 빛이 ‘미토콘드리아를 깨우는 스위치’ 역할을 한다고 비유할 수 있다. 빛을 받은 그룹에서 사이토크롬 C 산화효소(COX)가 활성화되면서 마치 휴면 상태였던 세포 에너지가 다시 작동을 시작하는 것으로 보인다.

 

연구 배경

AMD와 노화

• AMD는 황반 부위의 기능 저하로 중심 시야가 손상되는 질환으로, 주로 노화에 의해 발생하며, 염증 및 세포 손상이 핵심 특징이다.
• AMD의 주요 원인
  • 산화적 스트레스: 고도의 대사 활동을 하는 망막세포가 노화와 함께 ATP 생산 감소 및 산화적 스트레스를 겪는다.
  • 염증 반응: 나이가 들수록 염증 관련 단백질(C3)과 같은 보체 단백질의 축적이 증가하며, 이로 인해 세포 손상이 가속화된다.
  • 미토콘드리아 기능 저하: 미토콘드리아의 효율이 떨어지면서 세포 내 에너지 생산이 감소하고, 이는 염증과 산화적 손상을 유발한다.

670nm 빛의 역할

• 사이토크롬 C 산화효소(COX)의 활성화: COX는 미토콘드리아의 산화적 인산화 과정을 조절하며 ATP 생산을 담당하는 핵심 효소다. 670nm 빛은 COX를 활성화하여 ATP 생산을 증가시키고 산화적 스트레스를 완화한다.
• 치료 가능성: 이전 연구에서도 670nm 빛이 정상 노화 마우스에서 염증 지표를 감소시키고 망막세포 손상을 억제하는 효과를 보였다. 본 연구는 AMD를 모사한 마우스 모델에서 같은 효과를 확인하고자 진행되었다.

 

연구 방법

실험 대상

• 대상 동물
  • 16개월 된 CFH 결핍 마우스(CFH⁻/⁻) 29마리
  • 이 마우스는 AMD 환자의 약 50%가 가지고 있는 유전자 변형을 반영하며, 염증과 황반 손상 증상을 나타낸다.

실험 설계

• 빛 노출 그룹
  • 하루 6분, 2회씩, 총 14일 동안 670nm 파장의 LED 빛을 환경 조명 형태로 제공
  • 빛은 마우스가 빛 앞에 직접 위치하지 않아도 반사된 빛이 도달하도록 설계된 케이지에서 조사
• 대조군
  • 동일한 환경에서 670nm 빛 없이 생활

분석 방법

• 염증 지표 측정: C3(보체 단백질), GFAP(글리아 섬유성 산성 단백질), Vimentin(망막 스트레스 단백질) 발현 정도를 면역염색과 qPCR로 분석
• 미토콘드리아 효소 발현: COX 발현 정도를 qPCR과 Western blot으로 분석
• 대식세포 변화: RPE(망막색소상피) 대식세포의 수, 돌기 길이, 돌기 수, 세포 크기 등을 면역염색으로 분석
• 아밀로이드 베타(Aβ) 침착: Bruch’s 막에서 Aβ 축적 여부를 분석

 

연구 결과

1. 미토콘드리아 효소 발현 증가

• COX 발현 증가
  • 빛 노출 그룹에서 COX 발현이 약 50% 증가
  • Western blot과 qPCR 결과에서 동일한 경향이 확인되었으며, 이는 빛이 미토콘드리아 효율을 높이는 데 기여했음을 시사한다.

2. 염증 반응 감소

• C3 발현 감소
  • Bruch’s 막에서의 C3 축적이 약 50% 감소
  • 광수용체 외층에서 C3 발현이 약 20% 감소
  • qPCR 결과에서도 C3 발현이 약 50% 감소
• 망막 스트레스 감소
  • 뮐러 세포 스트레스 마커인 GFAP와 Vimentin 발현이 빛 처리 후 유의미하게 감소
  • 뮐러 세포 돌기 수와 길이가 감소, 이는 빛 치료 후 망막의 스트레스 수준이 낮아졌음을 의미

3. 대식세포 형태 변화

• 돌기 길이 증가
  • 대식세포 돌기 길이가 27μm에서 54μm로 약 2배 증가
  • 돌기 수와 돌기 영역 크기 또한 유의미하게 증가
• 세포 크기 감소: 대식세포의 세포체 크기가 작아져 더 활동적인 형태로 변화.
• 세포 간 거리 증가: 대식세포 간 평균 거리가 91μm에서 151μm로 증가.

4. 아밀로이드 베타(Aβ) 변화 없음

• Aβ 침착 변화 없음: Bruch’s 막에서 Aβ 축적량에는 유의미한 차이가 없었으며, 염증 감소가 Aβ 축적과 무관하게 이루어질 수 있음을 시사

 

 

미토콘드리아 COX 발현 증가

• COX 발현 비교

  • 670nm 빛을 받은 마우스 그룹과 받지 않은 대조군의 망막을 면역염색(immunostaining)으로 관찰한 결과, 빛 처리 그룹에서 COX 발현이 명확히 증가한 것을 확인할 수 있다.
  • COX는 주로 광수용체 내층(Photoreceptor Inner Segment)과 외핵층(Outer Plexiform Layer)에서 발현되며, 빛 노출 후 해당 영역에서 염색 강도가 현저히 높아졌음을 보여준다.

• 정량 분석

  • qPCR 및 Western blot 결과를 통해 COX 발현이 빛 노출 후 약 50% 증가했음이 통계적으로 입증되었다.

핵심 포인트

1. 미토콘드리아 활성화의 증거

   • COX는 미토콘드리아에서 ATP를 생산하는 데 중요한 역할을 하는 효소로, 발현 증가가 ATP 생산량의 증가 및 세포 대사 활성화를 나타낸다.
   • 이는 670nm 빛이 미토콘드리아 기능을 개선해 세포의 에너지 상태를 회복시킨다는 것을 강력히 뒷받침한다.

2. 염증 감소와의 연관성

   • COX 활성화는 산화적 스트레스 및 염증 감소에 중요한 역할을 한다. 따라서 COX 발현 증가는 염증 지표(C3, GFAP, Vimentin)의 감소와 직접적으로 연관될 가능성이 크다.

 

연구 결론

이 연구는 670nm 파장의 빛이 AMD 모델에서 염증을 억제하고 미토콘드리아 기능을 개선하는 데 효과적임을 입증했다. 특히, 환경 조명 형태로 빛을 제공했음에도 치료 효과가 있었으며, 이는 향후 비침습적이고 비용 효율적인 AMD 치료법 개발에 중요한 단서를 제공한다. 인간 대상 임상 연구를 통해 치료 효과를 검증할 필요가 있다.