Age-related retinal inflammation is reduced by 670 nm light via increased mitochondrial membrane potential (2013)

https://doi.org/10.1016/j.neurobiolaging.2012.04.014

 

해당 논문은 670nm 근적외선 빛이 노화로 인해 발생하는 망막 염증을 줄이고 미토콘드리아 기능을 개선할 수 있는지에 대한 연구이다. 노화된 망막은 산화적 스트레스와 염증 증가로 인해 시력 저하와 관련된 문제가 발생한다. 미토콘드리아는 세포 에너지 생성의 중심이며, 노화와 염증에 직접적인 영향을 미친다. 연구는 근적외선 빛이 미토콘드리아의 막 전위를 높여 ATP 생산을 증가시키고 염증을 줄이는지를 실험으로 확인했다.

 

쉬운 요약

• 670nm 빛은 노화로 인한 망막 염증과 세포 손상을 줄이는 데 효과적임
• 대식세포와 염증성 물질 감소로 염증 반응을 억제함
• 간단한 빛 치료가 시력 저하 및 노화 관련 질환에 유용한 도구가 될 가능성을 보여줌

 

연구 배경

1. 미토콘드리아의 역할

   • 미토콘드리아는 세포 에너지(ATP)를 생성하고, 산화적 스트레스를 조절한다.
   • 노화가 진행되면 미토콘드리아는 더 많은 활성 산소종(ROS)을 생산하게 되고, 이는 염증과 세포 손상을 유발한다.
   • 망막의 외부층은 체내에서 에너지 소비가 가장 높은 조직으로, 산화적 스트레스의 영향을 크게 받는다.

2. 망막 염증의 문제점

   • 노화로 인해 망막에는 대식세포가 축적되고, 보체 시스템이 과도하게 활성화된다.
   • 이는 망막 세포 손상과 시력 저하를 가속화한다.

3. 670nm 빛의 가능성

   • 670nm 빛은 미토콘드리아 내막의 전위를 증가시켜 ATP 생산을 촉진하고 산화적 스트레스를 감소시킨다는 기존 연구 결과가 있다.
   • 본 연구에서는 노화된 쥐의 망막에 670nm 빛을 노출시켜 염증과 미토콘드리아 변화를 직접 측정했다.

 

연구 방법

1. 실험 동물

   • 12개월 된 노화된 C57BL/6 쥐 46마리를 대상으로 실험
   • 총 2가지 실험군
     • 빛 노출군: 670nm LED 빛에 노출(5회, 90초씩, 총 35시간 동안)
     • 통제군: 빛 노출 없음

2. 미토콘드리아 분석

   • 쥐의 망막을 JC-9 염료로 염색하여 미토콘드리아 막 전위(탈분극 vs 분극)를 측정
   • 탈분극 상태에서는 녹색(525nm), 분극 상태에서는 빨간색(590nm)으로 염색되어 비율 비교

3. 염증 마커 분석

   • 염증 관련 마커를 면역조직화학법으로 분석
     • 보체 단백질(C3b, C3d): 만성 및 급성 염증 지표
     • TNF-α: 염증성 사이토카인
     • 칼시토닌: 염증 바이오마커
   • 대식세포 수를 IBA-1 항체로 염색해 측정

 

연구 결과

1. 미토콘드리아 막 전위 증가

• 670nm 빛을 노출한 그룹에서 JC-9 염료의 빨간색/녹색 비율이 유의미하게 증가
• 이는 미토콘드리아의 막 전위가 상승했음을 의미하며, ATP 생산이 촉진되었음을 시사한다.

2. 염증 감소

1. 보체 단백질(C3b, C3d)
   • 만성 염증의 지표인 C3d 수준이 빛 노출 후 유의미하게 감소
   • 급성 염증의 지표인 C3b는 통계적으로 유의미한 변화가 없었다.
2. TNF-α
   • 염증을 유발하는 주요 사이토카인 TNF-α 수준이 크게 감소
3. 칼시토닌
   • 칼시토닌 수치가 망막 내에서 유의미하게 감소했다.
4. 대식세포 수 감소
   • 망막의 대식세포 수가 약 15% 감소

 

 

670nm 빛이 미토콘드리아 막 전위에 미치는 영향

670nm 빛이 노화된 쥐의 망막 색소 상피(RPE) 세포 내 미토콘드리아 막 전위(전기적 차이)에 어떤 변화를 주는지 보여준다. 미토콘드리아 막 전위는 세포가 에너지를 얼마나 효과적으로 생산하는지를 나타내는 중요한 지표다.

1. 이미지 구성

   • 그림은 두 그룹(빛 노출군과 통제군)의 망막을 비교한 사진이다.
   • 녹색(Green): 미토콘드리아가 탈분극된 상태(에너지 효율이 낮음)
   • 빨간색(Red): 미토콘드리아가 분극된 상태(에너지 효율이 높음)
   • 합성 이미지(Overlay): 녹색과 빨간색 이미지를 합쳐서 전체적인 미토콘드리아 상태를 시각적으로 표현

2. 빛 노출의 효과

   • 통제군(빛 노출 없음): 녹색 신호가 강하게 나타나며, 이는 미토콘드리아가 탈분극 상태로 에너지를 덜 효과적으로 생산하고 있음을 의미한다.
   • 빛 노출군(670nm 빛 노출): 빨간색 신호가 더 강하게 나타나며, 미토콘드리아의 분극 상태가 증가했음을 보여준다. 이는 ATP 생산 능력이 향상되었음을 의미한다.

3. 숫자로 나타낸 결과

   • 그래프는 빨간색과 녹색의 비율(빨간색/녹색 비율)을 통해 미토콘드리아 막 전위의 변화를 정량적으로 보여준다.
   • 통제군에 비해 빛 노출군에서 이 비율이 유의미하게 증가했으며, 통계적으로 신뢰할 수 있는 결과(p < 0.04)로 나타났다.

 

 

670nm 빛이 망막 염증 마커(C3b, C3d, 칼시토닌)에 미치는 효과

망막의 특정 염증 마커(C3b, C3d, 칼시토닌)를 비교해 빛을 쬔 그룹(670nm 빛 노출군)과 통제군(빛을 쬐지 않은 그룹)에서 어떤 변화가 있었는지를 보여준다.

A. C3d의 감소

• 통제군
  • C3d 단백질이 Bruch's 막(망막 색소 상피 아래 위치)에서 강하게 나타남(빨간색 신호)
  • 이는 노화와 관련된 만성 염증이 활성화된 상태를 의미함
• 빛 노출군: C3d가 눈에 띄게 감소했으며, 통계적으로 유의미한 결과(p < 0.032)로 나타남
• 의미: 670nm 빛은 만성 염증을 감소시킬 수 있다는 것을 보여줌

B. C3b의 변화 없음

• 통제군과 빛 노출군 모두 C3b 단백질 수준에 유의미한 차이가 없었음
• 의미: 670nm 빛은 급성 염증(C3b)에는 직접적인 영향을 미치지 않음

C. 칼시토닌 감소

• 통제군: 칼시토닌이 망막의 내층과 외층(특히 광수용체 내부/외부 분절)에 강하게 나타남(갈색 신호)
• 빛 노출군: 칼시토닌 수치가 유의미하게 감소했으며(p < 0.028), 이는 염증 수준이 전반적으로 낮아졌음을 시사함
• 의미: 칼시토닌 수치 감소는 670nm 빛이 망막의 염증 반응을 억제할 수 있음을 보여줌

 

 

670nm 빛이 대식세포 수와 TNF-α 발현에 미치는 효과

망막에서 대식세포 수(Iba-1 염색)와 TNF-α(염증 유발 사이토카인)의 변화를 비교해 670nm 빛 노출이 염증을 줄이는지 시각적으로 나타낸다.

A. 대식세포 수 감소 (Macrophage numbers, Iba-1 염색)

1. 대식세포의 역할

   • 대식세포는 염증 반응에서 중요한 역할을 하며, 노화된 망막에서는 과도하게 축적되어 염증과 세포 손상을 유발한다.
   • Iba-1 염색은 망막 내 대식세포를 붉은색으로 표시하는 방법이다.

2. 결과

   • 통제군
     • 망막 하부(subretinal space)에서 많은 수의 대식세포(Iba-1 양성 세포)가 관찰됨
     • 이는 노화와 관련된 염증이 활성화된 상태를 보여줌
   • 빛 노출군: 대식세포 수가 약 15% 감소하며, 통계적으로 유의미한 결과(p < 0.04)로 나타남

3. 의미

   • 670nm 빛이 망막에서 대식세포의 축적을 억제하며 염증 반응을 완화시킬 수 있음을 보여줌

B. TNF-α 감소 (염증 유발 사이토카인 감소)

1. TNF-α의 역할

   • TNF-α는 대식세포에서 분비되는 강력한 염증성 사이토카인으로, 염증 반응을 촉진하고 조직 손상을 유발한다.
   • TNF-α의 과도한 발현은 노화된 망막에서 염증 증가와 관련이 있다.

2. 결과

   • 통제군: TNF-α가 망막의 외부층(inner/outer segments)에서 강하게 발현됨. 이는 노화와 관련된 염증이 심화된 상태를 반영함
   • 빛 노출군: TNF-α 발현이 유의미하게 감소했으며(p < 0.0032), 염증 수준이 크게 완화되었음을 보여줌

3. 의미

   • 670nm 빛이 대식세포 감소뿐만 아니라 TNF-α 수준까지 줄여 전반적인 염증 반응을 억제할 수 있음을 시사함

 

연구 결론

670nm 근적외선 빛은 노화로 인해 발생하는 망막 염증을 줄이는 데 효과적이었다. 대식세포 수 감소, TNF-α와 C3d 같은 염증 마커 억제 효과를 통해 염증을 완화하며 미토콘드리아 기능도 개선되었다. 이 연구는 670nm 빛이 노화 관련 망막 문제를 해결할 수 있는 잠재적인 치료법임을 보여준다. 간단한 빛 노출만으로 시력 보호와 망막 건강 개선 효과를 기대할 수 있다.