I. 혈뇌장벽과 약물전달

뇌는 우리 몸의 중추신경계를 관장하는 기관으로써, 인간이 살아가면서 행하는 감각, 언어, 운동 등의 고차원적인 활동부터, 신체대사 조절 및 항상성 유지 등의 역할을 담당한다. 이러한 뇌의 중요한 역할로 인해 우리 몸에는 다른 장기들과 달리 뇌를 보호하기 위한 특별한 장치들이 존재하며 그중 하나가 혈액-뇌 장벽이다(Blood-Brain Barrier, BBB).^[1]

혈액-뇌 장벽은 인간 장기 중 가장 복잡하고 선택적인 장벽 중 하나이며, 뇌혈관 내 불순물질이 뇌조직으로 쉽게 투과되지 못하도록 하여 뇌를 안전하게 보호하는 역할을 담당한다. 해부학적으로, BBB는 뇌혈관 내피세포에 위치하며, 밀착결합 구조를 형성하여 유해물질이 뇌조직으로 유입되는 것을 방지한다(Fig. 1).^[2] 하지만 BBB는 뇌를 보호하기 위해 필수적이지만, 다양한 뇌종양, 알츠하이머 등 다양한 중추신경계 질환에서 뇌조직으로 직접적인 약물전달이 필요한 치료제의 투과 역시 제한하는 문제점이 있다. 특히 전세계에서 개발중인 뇌질환 치료제 중, 소분자 치료제는 98 %, 대형분자치료제는 100 % BBB를 투과하기 어려운 것으로 보고되고 있으며 이에 따라 뇌질환 치료에 효능이 있는 약물들이 실질적으로 임상단계에서 그 효능을 검증하고 환자치료에 활용되는데 어려움이 발생되고 있다.^[3]

Fig. 1.

(Color available online) Schematic representation of the anatomical structure of the blood-brain barrier (BBB) and the accompanying neurovascular unit. Note the abluminal CEC surface is ensheathed by a basement membrane embedded with pericytes.^[2]

따라서, 본 논문에서는 기존의 BBB 약물 투과율 저하 문제를 극복하기 위해 개발된 집속 초음파(Focused UltraSound, FUS) 기반 BBB 개방 기술에 대한 소개, 기술동향, 약물전달 기술이 앞으로 나아가야 할 방향에 대해 제시하도록 한다.

II. 초음파 기반 약물 전달과 BBB 개방 임상시험 연구 현황

BBB로 인해 뇌 약물 투과도가 저조한 문제를 극복하기 위해 외과적 수술 없이 원하는 뇌 지역만 집속 초음파 에너지를 조사함으로써, 일시적으로 BBB를 개방할 수 있는 방법이 보고되고 있다.^[4] 초음파를 활용한 BBB 개방의 정확한 매커니즘은 아직 잘 정의되지 않았지만, 초음파 조사에 의한 기계적 진동이 생물학적 효과에 영향을 주는 것이 지배적인 것으로 보고되고 있다. 뇌의 특정 부위에 집속 초음파가 조사될 경우, BBB 개방을 위해 함께 주입되는 마이크로버블이 조사된 초음파 압력으로 인해 수축과 팽창을 반복하는 음향 공동화 효과가 유도된다(Fig. 2).^[5] 집속 초음파가 조사된 뇌의 국소 부위의 환경에 따라서 마이크로버블이 일정한 크기로 수축과 팽창을 반복할 경우 마이크로버블의 활동성으로 인해 혈관 내피세포들간의 결합력이 느슨해 지며, 한번 느슨해진 결합력은 추가적인 초음파 조사가 없어도 약 4 h에서 6 h정도 지속되어 이 시간 동안 약물의 전달 효율 증대가 가능하다.^[6] 이 때, 마이크로버블이 일정한 크기로 수축과 팽창을 반복하는 현상을 안정적 공동화 현상이라 명칭하며, 반대로 과도한 초음파 에너지가 조사되어 마이크로버블이 붕괴되는 현상을 관성적 공동화 현상이라 명칭한다. 관성적 공동화 현상은 마이크로버블이 붕괴되는 과정에서 주위 혈관에 순간적인 충격파를 가함으로써 뇌조직 및 뇌혈관에 손상을 유발하기 때문에 안전한 약물투여 증대를 위해서는 안정적 캐비테이션 상태를 지속적으로 유지하는 것이 매우 중요하다.^[7]

Fig. 2.

(Color available online) Schematic diagram of stable and inertial cavitation effect according to ultrasound pressure.

BBB 개방을 위해서 초음파가 사용된 것은 1950년대에 처음 개발되었지만,^[8] 이 기술이 뇌 조직에 약물 전달을 개선하는데 상당한 관심을 얻은 것은 최근 20년 이내이다.^[9] 그 후, 수많은 비임상 및 여러 임상 I/II 시험이 수행되었으며^{[10,11,12,13]}(ClinicalTrials.gov 식별 번호: NCT03321487, NCT03322813, NCT0225322, NCT0360855, NCT03626896, NCT02343991, NCT029 8632, NCT03712293), 약물전달의 안전성, 유효성 및 타당성을 평가하였다.

그 중에서도, Jose A. Obeso 연구팀은 Parkinson’s Disease with Demential(PDD) 환자 5명을 대상으로 MR 유도 집속 초음파(MRgFUS)기반의 BBB 개방 및 약물 효율 입증을 위한 탐색 임상시험을 수행하였으며 그 결과, PDD에서는 안전하고 가역적이며 반복적으로 MRgFUS가 수행될 수 있으며, 치료 과정 동안 경미한 인지력 향상이 관찰된 것으로 보고되었다(Fig. 3).^[14] Kuo-Chen Wie 연구팀 역시, 환자를 대상으로 집속 초음파(FUS)를 이용한 BBB개방을 통해 재발 교모세포종(rGBM) 치료제의 전달 효율이 향상됨과 동시에 면역학적 반응이 관찰되지 않았으며, 일시적으로 개방된 BBB는 24 h 이내에 복구됨을 보고하였다(Fig. 4).^[15] 또한, Agessandro Abrahao 연구팀은 근위축성 측삭경화증(Amyotrophic Lateral Sclerosis, ALS)를 가진 환자 4명에게 MRgFUS 기반 BBB 개방의 안전성 및 타당성을 조사하였으며 그 결과, 모든 환자들에게서 BBB가 성공적으로 개방되었으며, 심각학 임상적, 방사선학적, 그리고 뇌파학적 부작용이 없음을 검증하였다(Fig. 5).^[10]

Fig. 3.

(Color available online) Post: Blood-brain barrier opening of patient 2 in the targeted area immediately after sonication. 24 h: Same targeted area of patient 2, 24 h after treatment, without recognizable BBB opening. Top and bottom panels, respectively, show axial and coronal views of the parieto-occipito-temporal region.^[14]

Fig. 4.

(Color available online) (Top) Schematic diagram of neuronavigation-guided FUS treatment, (Bottom) Immune cell infiltration in human tissues 7 days after FUS treatement.^[15]

Fig. 5.

(Color available online) Feasibility of blood- brain barrier opening using MRgFUS in the hand control region of the right primary motor cortex. a Hand control region mapping using motor-task functional MRI (fMRI). b, c show confirmation of successful blood-brain barrier permeabilization in the sonicated primary motor cortex area as demonstrated by new gadolinium enhancement in T1- weighted imaging. Subject two is represented in the top row and subject three in the bottom row.^[10]

III. 초음파기반 BBB 개방에 대한 향후 전략

초음파 기술을 바탕으로 BBB 개방하는 수많은 연구가 성공적인 결과를 보고하고 있지만, BBB 개방의 정도는 초음파 매개 변수의 선택뿐만 아니라 각 초음파와 함께 사용되는 마이크로버블의 유형과 용량에 의해 크게 영향을 받는다는 것이 명확하다.^[16] 적절한 초음파 조사 변수를 사용하지 않을시 초음파를 이용하여 BBB를 개방하는 기술은 뇌혈관 출혈,^[17] 외종,^[11] 염증,^[18] 신경성 빈혈,^[19] 조직 세포사멸^[20,21]을 포함한 잠재적 부작용을 가지고 있다. 이러한 부작용의 발생은 과도한 기계적 진동에 의한 관성적 음향 공동화 현상에 의한 것으로 증명되었으며, 이는 혈관 내에서 초음파 기포가 빠르게 폭발하여 뇌혈관내에 있는 유체, 적혈구 및 백혈구가 주변 조직으로 유출된다. 또한 이러한 효과는 직접적인 신경 및 신경교상에 기여할 수 있다. 결국, 안전성이 보장되어야 향후 임상에서 유효성을 확보할 수 있다.

따라서, BBB 개방 과정에서 안정적 공동화 현상을 지속적으로 유지하는 것이 매우 중요하며 이를 위해, 초음파 조사에 따른 마이크로버블의 활성도를 실시간으로 모니터링 하여 최적의 출력 강도로 조절 가능한 알고리즘 개발이 중요하다. 마이크로버블의 활성도는 초음파 조사 지점으로부터 반사되어 되돌아온 신호의 주파수 성분 분석을 통해 추론이 가능하다. 기본적으로, 반사된 신호는 인체 매질의 비선형적 특성으로 인해 조사된 초음파 중심주파수및 이의 배수를 갖는 주파수성분 및 광대역 노이즈성분등이 함께 나타나며, 버블의 활성도 레벨에 따라 이러한 성분들의 레벨 역시 비례하여 증가되는 경향을 나타낸다(Fig. 6).^[22]

Fig. 6.

(Color available online) Example of spectrums that can be generated under inertial cavitation conditions or in the absence of cavitation.

또한, 기존에는 MRI 혹은 CT 같은 영상가이드를 기반으로 BBB가 개방되는 위치를 확인하였지만, 해당 장비들은 큰 부피로 인하여 공간적 허용 및 치료 과정에서 영상 분석을 위한 시간적 허용이 필요한 문제가 발생된다. 이러한 문제를 극복하기 위해 집속점에서 반사되어 방출되는 음향 공동화 신호를 다수의 초음파 수신 채널을 통해 수집합으로써 3차원 공간 좌표를 획득하는 Passive Acoustic Mapping(PAM)을 바탕으로 MRI나 CT같은 영상가이드 없이 보다 신속하고, 간편한 치료가 가능한 연구가 시도되고 있다.^[15,23]