Optical monitoring of retinal respiration in real time: 670 nm light increases the redox state of mitochondria (2016)

https://doi.org/10.1016/j.exer.2016.09.006

 

해당 논문은 670nm 근적외선 빛이 노화로 인해 기능이 저하된 망막의 미토콘드리아 상태를 실시간으로 모니터링하고, 이 빛이 미치는 생리적 효과를 분석한 연구이다. 미토콘드리아는 세포 에너지 생산의 중심 역할을 하며, 노화 과정에서 이 기능이 약화되면서 염증과 세포 손실로 이어지는 주요 원인이 된다. 특히 망막은 높은 에너지 소비가 필요한 조직으로, 미토콘드리아 기능 저하가 시각 손실로 이어질 수 있다.

 

연구 배경

• 망막과 미토콘드리아
  망막의 광수용체 세포는 신체에서 가장 높은 에너지 소비를 필요로 하며, 이를 위해 미토콘드리아의 ATP 생산이 필수적이다. 나이가 들면 미토콘드리아 DNA의 손상, 막 전위 감소, ATP 생산 저하가 발생하며, 이로 인해 만성 염증과 세포 사멸이 촉진된다.

  • 평균적으로 나이가 들면서 광수용체의 30%가 손실된다.
  • 황반변성과 같은 질환에서 초기 단계부터 미토콘드리아 기능 저하가 관찰된다.

• 근적외선 빛의 역할
  이전 연구에서는 670nm 근적외선 빛이 미토콘드리아 내 사이토크롬 C 산화효소(COX)의 산화 상태를 개선하고 ATP 생산을 증가시킨다는 점이 밝혀졌다. 이는 염증 억제와 조직 손상을 완화하는 데 도움을 줄 수 있다.

• 연구 목적
  이번 연구는 670nm 빛이 노화된 망막에서 미토콘드리아의 기능을 개선하는 실시간 효과를 분석하고, 이를 생체지표로 활용할 가능성을 평가하기 위해 진행됐다.

 

연구 방법

1. 대상 동물

   • 12개월령 암컷 쥐(노화된 상태)를 사용했다.
   • 670nm 빛 노출 그룹(9마리), 대조군(노출 없음, 4마리), 420nm 빛 노출 그룹(4마리)으로 나눠 진행했다.

2. 실험 절차

   • 동물을 마취하고 동공을 확장시킨 후 광섬유를 이용해 670nm 빛을 5분 동안 망막에 비췄다.
   • 빛의 반사를 분석해 산화 COX, 산소화 헤모글로빈(HbO2), 탈산소 헤모글로빈(HHb)의 농도 변화를 실시간으로 측정했다.

3. 분석 지표

   • COX의 산화 상태 변화(D[oxCOX])
   • 혈액량 변화(D[HbT])
   • 산소화와 탈산소화 헤모글로빈의 차이(D[HbDiff])

4. 통계 분석

   • Kruskal-Wallis 및 Wilcoxon 검정을 이용해 노출 전후의 데이터를 비교했다.

 

연구 결과

1. COX 산화 상태 개선

   • 670nm 빛에 노출된 망막에서 산화 COX의 농도가 노출 후 5~10분부터 유의미하게 증가하기 시작했다.
   • 증가된 산화 상태는 1시간 후 최대치에 도달했으며, 2시간 동안 유지됐다.
   • 반면, 420nm 빛 노출군과 대조군에서는 COX 산화 상태에 유의미한 변화가 없었다.

2. 혈액량 증가

   • 670nm 빛에 노출된 그룹에서 총 헤모글로빈 농도(D[HbT])가 15분 후부터 증가하기 시작해 1시간 동안 꾸준히 상승했다.
   • 혈액량 증가는 산화 COX 농도 증가와 유사한 경향을 보였다.
   • 420nm 빛 노출군과 대조군에서는 혈액량 변화가 관찰되지 않았다.

3. 혈액 산소화 변화 부재

   • 산소화 상태(D[HbDiff])는 모든 그룹에서 유의미한 변화가 없었다.

4. 420nm 빛의 효과 부재

   • 420nm 빛은 COX 산화 상태와 혈액량에 부정적인 영향을 미치거나 변화가 없었다. 이는 단파장 빛이 미토콘드리아 대사를 억제할 수 있다는 점을 시사한다.

 

 

그래프 설명

(a) 산화 사이토크롬 C 산화효소 (D[oxCOX])의 변화

• 670nm 빛에 노출된 후 산화된 COX 농도가 시간에 따라 어떻게 변화했는지를 보여준다.

  • 670nm 빛을 받은 그룹(red bars)에서는 노출 후 5~10분부터 COX 농도가 증가하기 시작
  • 노출 후 1시간에 최대 증가치 도달(약 5배 상승)
  • 2시간 이후에도 여전히 증가된 상태 유지
  • 반면, 420nm 빛 노출군(blue bars)과 노출이 없는 대조군(gray bars)에서는 유의미한 변화가 없음

• 670nm 빛이 미토콘드리아 내 COX 산화 상태를 향상시켜 에너지 대사를 활성화하는 효과를 가진다는 점을 시사

(b) 총 헤모글로빈 농도(D[HbT])의 변화

• 670nm 빛이 망막 내 혈액량(총 헤모글로빈 농도)에 미치는 영향을 보여줌

  • 670nm 빛 노출 후 약 15~20분부터 총 헤모글로빈 농도 증가 시작
  • 약 1시간 후 최대 농도에 도달하며, 이후에도 일정 수준으로 유지됨
  • 420nm 빛 노출군과 대조군에서는 변화가 나타나지 않음

• 670nm 빛이 망막의 혈액량을 증가시켜 대사 활성화를 지원하는 것으로 보임. 이는 산화 COX 증가와 혈액 공급이 상호 연관되어 있음을 시사

(c) 산소화 헤모글로빈과 탈산소 헤모글로빈 차이 (D[HbDiff])의 변화

• 혈액 내 산소화 정도(D[HbDiff])가 670nm 빛 노출 후 변화하는지를 분석

  • 모든 그룹(670nm, 420nm, 대조군)에서 유의미한 변화가 없음

• 670nm 빛이 산소화 상태 자체에는 영향을 미치지 않고, 총 혈액량(D[HbT])과 COX 산화 상태에만 변화를 유발한다는 것을 나타냄

핵심 포인트

1. COX 산화 상태 개선 → 미토콘드리아 기능 활성화
2. 총 헤모글로빈 농도 증가 → 망막 대사 지원을 위한 혈액 공급 증가
3. 산소화 상태 변화 없음 → 산소화 상태는 유지되며, 대사 활성화가 주요 효과로 작용

 

연구 결론

670nm 빛은 노화된 망막에서 미토콘드리아 기능과 혈액량을 개선해 대사를 활성화하고, 염증 감소와 조직 보호에 효과를 보였다. 이는 황반변성 같은 노화 관련 질환의 조기 관리와 치료 가능성을 제시하며, 근적외선 빛 치료가 비침습적이고 안전한 방법으로 눈 건강을 지원할 수 있음을 보여준다.