Aging retinal function is improved by near infrared light (670 nm) that is associated with corrected mitochondrial decline (2017)

https://doi.org/10.1016/j.neurobiolaging.2017.01.001

 

해당 논문은 노화로 인해 감소한 미토콘드리아 기능과 망막 기능을 개선할 수 있는 새로운 치료법으로 670nm 근적외선(NIR) 빛을 탐구한 연구이다. 연구는 근적외선이 미토콘드리아 에너지 생산을 증가시키고 염증을 줄임으로써 노화된 망막의 기능을 상당히 개선할 수 있음을 입증했다. 이 연구는 노화 및 나이 관련 황반변성(AMD)과 같은 퇴행성 망막 질환의 치료 가능성을 시사한다.

 

연구 배경

• 노화와 미토콘드리아 저하
  노화는 미토콘드리아 기능의 전반적인 저하를 초래한다. 이는 ATP(세포 에너지)의 감소, 미토콘드리아 막 전위 저하, 만성 염증 증가와 연관되어 있다. 망막의 시세포는 체내에서 가장 높은 에너지 요구량을 가지며, 미토콘드리아 기능 저하는 빠르게 망막 기능 감소와 시세포 손실로 이어질 수 있다.

  • 3~4개월 된 생쥐에서도 ATP와 미토콘드리아 막 전위가 급격히 감소하기 시작하며 염증과 기능 저하가 뚜렷해진다.
  • 사람과 동물 모두에서 시세포는 약 30% 손실될 수 있다.

• 근적외선의 효과
  특정 파장(670nm)의 근적외선은 미토콘드리아의 시토크롬 c 산화효소에 흡수되어 미토콘드리아 막 전위를 증가시키고 ATP 생산을 촉진한다. 또한, 염증을 감소시키는 효과가 있다. 이전 연구들은 근적외선이 노화뿐 아니라 독성 손상에서도 망막 세포를 보호한다는 사실을 제시했다.

 

연구 방법

1. 실험 대상

• C57BL/6 암컷 생쥐 총 35마리 사용
  • 2개월 (n=4), 7개월 (n=18), 12개월 (n=13)
  • 7개월 및 12개월 그룹은 각각 치료군(근적외선 노출)과 대조군(노출 없음)으로 나뉘었다.

2. 근적외선 치료

• 매일 오전 10시, LED 장치를 사용해 670nm 근적외선을 하루 15분씩 1개월 동안 적용
• 근적외선 강도는 40mW/cm², 총 에너지 노출량은 36J

3. 평가 방법

1. 전기망막도(ERG)

   • 어두운 환경에서 ERG를 통해 시세포가 생성하는 a-파와 후광수용체가 생성하는 b-파를 측정
   • 노화로 인해 감소한 신호를 근적외선 치료 후 얼마나 개선되는지 평가했다.

2. 미토콘드리아 활성 평가

   • 시토크롬 c 산화효소(COX) 발현 수준을 면역염색으로 측정
   • COX 발현 증가는 미토콘드리아 활성화와 에너지 생산 증가를 의미한다.

 

연구 결과

1. 망막 기능의 개선

• ERG 결과

  • 7개월 및 12개월 노화된 생쥐 모두에서 근적외선 치료 후 a-파와 b-파의 신호가 유의미하게 증가
  • a-파(시세포 생성 신호)는 약 20% 개선, b-파(후광수용체 신호 전달)는 약 30% 개선
  • 특히 12개월 된 생쥐에서 개선 효과가 더 두드러짐

• 고강도 자극 반응

  • 치료군은 대조군에 비해 높은 광 강도 자극에서도 더 강한 신호를 보였다.

• 완전한 회복은 아님

  • 치료 후 신호가 2개월 된 젊은 생쥐의 수준에는 도달하지 못했지만, 노화로 인한 손상을 상당 부분 회복

2. 미토콘드리아 활성 증가

• COX 발현이 근적외선 치료군에서 대조군에 비해 유의미하게 높았음
  • 7개월 생쥐(p < 0.01), 12개월 생쥐(p < 0.05)
  • 이는 ATP 생산 증가와 염증 감소와 연결된다.

3. 염증 감소 효과

• 근적외선은 노화로 인해 만성화된 염증 반응을 억제하며, 망막 세포의 에너지 대사를 정상화
• 이는 미토콘드리아 기능 회복의 주요 요인으로 작용

 

 

ERG 신호와 근적외선 치료 효과

A. ERG 파형 비교

• 2개월, 7개월, 12개월 생쥐의 ERG 파형

  • 젊은 생쥐(2개월)는 강한 a-파(광수용체 반응)와 b-파(후광수용체 반응)를 보인다.
  • 나이가 든 생쥐(7개월, 12개월)는 신호 강도가 전반적으로 감소. 특히 b-파가 크게 약화된다.

• 근적외선 치료 후 신호 개선

  • 7개월 및 12개월 생쥐에서 근적외선 치료를 받은 경우, 신호 강도가 대조군보다 뚜렷하게 향상되었다.
  • 특히 12개월 생쥐에서 b-파가 더 두드러지게 개선되어 노화된 생쥐에서도 치료 효과가 확인된다.

B. ERG 데이터의 정량적 분석

• a-파 및 b-파의 신호 강도 변화

  • 대조군: 나이가 들수록 신호 강도가 급격히 감소
  • 치료군: 신호 강도가 약 20~30% 개선되었으며, 특히 b-파가 더 큰 개선 폭을 보였다.
  • 하지만 2개월 생쥐의 젊은 수준까지 회복되지는 않았다.

• 통계적 유의성

  • 근적외선 치료군은 모든 연령대에서 대조군과 비교해 유의미한 신호 강도 증가를 보였다(예: 7개월, p < 0.05; 12개월, p < 0.01).

핵심 포인트

1. a-파와 b-파란 무엇인가?

   • a-파는 시세포가 빛 자극에 반응해 생성하는 신호이다.
   • b-파는 시세포에서 후광수용체(망막의 다른 신경세포)로 신호가 전달되며 생성되는 신호이다.
   • 두 신호 모두 망막 기능을 평가하는 중요한 지표다.

2. 나이가 들면 왜 신호가 약해지는가?

   • 노화로 인해 미토콘드리아 기능이 감소하면서 시세포와 후광수용체의 에너지 생산이 저하되고, 이로 인해 신경 신호가 약해진다.

3. 근적외선 치료는 어떻게 효과를 발휘하는가?

   • 670nm 빛은 미토콘드리아의 시토크롬 c 산화효소를 자극해 ATP 생산을 늘리고 염증을 감소시킨다.
   • 이 과정이 신경 신호 강도를 회복시키는 데 기여한다.

 

 

미토콘드리아 활성과 근적외선 치료 효과

A. 면역염색 이미지

• 7개월 생쥐(왼쪽)

  • 대조군: COX 발현이 낮아져 미토콘드리아 활성이 저하된 상태
  • 치료군: 근적외선 치료 후 COX 발현이 대조군에 비해 증가. 이는 미토콘드리아 기능 회복을 나타냄

• 12개월 생쥐(오른쪽)

  • 대조군: 나이가 더 많아질수록 COX 발현 수준이 더욱 감소함
  • 치료군: 근적외선 치료 후 COX 발현이 증가했으며, 7개월 생쥐 치료군과 비슷한 수준으로 회복됨

B. 정량적 데이터 (막대 그래프)

• COX 발현 비교
  • 7개월 및 12개월 생쥐 모두에서 근적외선 치료군의 COX 발현 수준이 대조군보다 유의미하게 높음(7개월: p < 0.01, 12개월: p < 0.05)
  • 나이가 많아질수록 대조군의 COX 발현은 더욱 감소하지만, 치료군에서는 미토콘드리아 활성 수준이 회복된다.

핵심 포인트

1. COX 발현이 왜 중요한가?

   • COX는 미토콘드리아 내에서 ATP(에너지 분자) 생산에 중요한 역할을 하는 효소다.
   • COX 발현 감소는 미토콘드리아 기능 저하와 에너지 생산 부족을 의미한다.

2. 근적외선 치료의 효과

   • 670nm 근적외선은 COX 발현을 증가시켜 미토콘드리아 기능을 회복시킨다.
   • 이는 노화로 인해 저하된 에너지 대사를 개선하고, 망막 세포의 생존과 기능 유지에 기여한다.

3. 나이에 따른 차이

   • 나이가 많아질수록 COX 발현이 더 감소하지만, 근적외선 치료는 이러한 감소를 상당 부분 상쇄시키는 효과가 있다.

 

결론 및 의의

• 근적외선 치료는 노화로 인해 저하된 망막 기능을 효과적으로 개선할 수 있다.
• 특히 미토콘드리아 기능 회복과 염증 감소를 통해 망막 세포의 에너지 대사를 정상화시키는 데 기여한다.
• 나이 관련 황반변성(AMD)과 같은 노화 관련 질환 치료에 응용 가능성이 높다.

 

근적외선 치료는 노화로 인해 감소한 망막 기능을 회복하는 데 효과적이었다. 이는 ATP 생산을 증가시키고 염증을 줄임으로써 미토콘드리아 기능을 개선한 결과로 보인다. 이러한 치료법은 노화로 인한 시력 저하와 나이 관련 황반변성 같은 질환의 치료에 적용 가능성이 높으며, 간단하고 안전한 대안으로 주목받고 있다.