경희대학교병원 신경과 안태범·유달라 교수팀[한국과학기술연구원(KIST) 지능·인터랙션연구센터 정다운·문경률 박사]이 인공지능(AI)을 활용해 파킨슨병 진단의 정확도를 높이고 진행 단계까지 분류할 수 있는 새로운 기법을 개발했다. 연구결과는 HEALTH CARE SCIENCES & SERVICES 분야 상위 1% 학술지인 <NPJ 디지털 메디신(NPJ Digital Medicine, IF=12.4)>에 게재됐다.
파킨슨병은 환자의 증상 관찰과 병력 청취, 약물 반응 평가를 통해 진단하지만, 평가자의 주관이 개입되어 객관성과 정확도가 떨어진다는 한계가 있었다. 이에 연구팀은 질환 진행 정도에 따라 5단계로 구분된 파킨슨병 환자군 188명과 건강한 대조군 22명, 총 210명을 대상으로 보행분석장비를 이용해 10초 정적 균형 테스트를 진행했다.
그 결과, 압력중심(Cop) 데이터를 통해 총 37개의 움직임 특성을 관찰했으며, 특히 ▲몸의 중심 안정성 ▲균형 유지 패턴의 일관성 ▲미세한 떨림 빈도에서 유의미한 결과가 산출됐다. 이후, 모든 데이터를 머신러닝 알고리즘에 학습시켜 진단 모델을 완성했다.
경희대병원 신경과 안태범 교수는 “단 10초간의 정적 균형 테스트만으로도 파킨슨병의 존재 여부와 진행 단계를 정확하게 분류할 수 있다는 점은 기존 걷기나 움직임 기반 진단법 대비 간편하면서도 객관성이 높아 예측을 통한 조기 진단까지 가능하다”며 “최첨단 IT 기술을 적극 활용한 후속연구를 바탕으로 파킨슨병 진단의 새로운 기준을 제시하고 효과적인 치료 전략 수립에 기여하고자 노력하겠다”고 밝혔다.
논문 제목은 ‘정적 서기 자세를 활용한 파킨슨병 및 그 진행 단계의 식별’ (Identifying Parkinson’s disease and its stages using static standing balance)이다.
'파킨슨병'은 몸의 운동 기능에 장애가 발생하는 질환으로, 치매와 함께 대표적인 신경퇴행성 질환으로 꼽힌다. 알파-시누클레인(α-synuclein) 단백질이 뇌세포 내에서 비정상적으로 응집돼 신경세포를 손상시키는 것이 원인으로 알려져 있다.
카이스트(KAIST) 연구진이 파킨슨병의 핵심 병리 중 하나인 신경염증 조절에 있어 RNA 편집(RNA Editing)이 중요한 역할을 한다는 사실을 세계 최초로 밝혀냈다. 이는 파킨슨병 치료에 있어서도 새로운 전략을 제시하는 근거가 될 것으로 기대된다.
교세포 염증 반응 분석
카이스트 뇌인지과학과 최민이 교수 연구팀은 영국 UCL 국립신경전문병원 연구소 및 프랜시스 크릭 연구소와의 공동 연구를 진행했다. 연구 대상은 ‘교세포(Astrocyte)’다. 이들은 뇌에 손상이 발생하거나 이상이 생겼을 때, 이를 보호하고자 염증 반응을 일으키는 역할을 한다.
연구팀은 이 염증 반응에서 RNA 편집 효소인 '에이다원(ADAR1)'이 면역 반응을 조절하는 중요한 역할을 한다는 것을 밝혀냈다. 또한, ADAR1이 파킨슨병의 병리 진행에 핵심적인 역할을 한다는 사실도 입증했다.
최민이 교수 연구팀은 뇌 면역세포의 염증반응을 알아보기 위한 실험을 진행했다. 먼저 파킨슨 환자에게서 유래한 줄기세포를 이용해, 뇌의 신경세포를 돕는 교세포와 신경세포로 구성된 세포 모델을 만들었다. 그런 다음, 파킨슨병의 원인으로 알려진 알파-시누클레인(α-synuclein) 응집체를 처리하고, 뇌 면역세포의 염증 반응이 어떻게 이루어지는지를 분석했다.
파킨슨병 원인 물질인 알파-시누클레인이 RNA 편집으로 인해 파킨슨병으로 진행될 가능성이 있다는 것을 확인했다 / 출처 : 카이스트 연구뉴스
ADAR1의 RNA 편집 활동
그 결과, 알파-시누클레인 응집체 초기 병리형태인 알파시뉴클레인 단량체(oligomer)가 교세포 내 세포가 위험을 감지하는 센서처럼 작동하는 통로(Toll-like receptor, TLR) 경로와 ‘인터페론 반응 경로’를 활성화한다는 것을 확인했다. TRL 경로가 위험을 감지하고, 인터페론을 방출해 바이러스나 병원균과 싸우도록 한다는 것이다.
연구팀은 이 과정에서 RNA 편집 효소인 ADAR1이 발현한다는 것, 그리고 기능과 구조 등 단백질 성질이 바뀌는 아이소폼으로 변형되는 것을 확인했다.
특히, ADAR1은 바이러스 감염시 면역 반응 조절 기능을 한다. 이때 RNA의 편집 활동을 통해 ‘A(아데노신)’를 ‘I(이노신)’으로 바꾸는, 일종의 유전자 명령 수정 작업인 ‘A-to-I RNA 편집’이 일어난다.
연구팀은 이 과정에서 정상적인 상황과 달리 RNA 편집 활동이 염증을 일으키는 유전자들에 비정상적으로 집중되어 있다는 걸 발견했다. 이 현상은 환자 유래 줄기세포 분화 신경세포에서뿐만 아니라 실제 파킨슨병 환자 뇌의 부검 조직에서도 동일하게 관찰되었다.
파킨슨 응집 단백질 처리 후, 성상 교세포(별세포)에서 유전자 편집 비율 증가 / 출처 : 카이스트 연구뉴스
파킨슨병 치료의 전환점 제시
이는 RNA 편집의 이상 조절이 교세포의 만성 염증 반응을 유도하고, 결과적으로 신경세포 독성과 병리 진행으로 이어질 수 있음을 직접적으로 입증한 것이다.
이번 연구는 신경 면역 세포인 교세포 내 RNA 편집 조절이 신경염증 반응의 핵심 기전이라는 사실을 새롭게 밝혔다는 데 의의가 크다. 특히 ADAR1이 파킨슨병 치료의 새로운 타깃 유전자로 작용할 수 있다는 가능성을 제시했다는 점에서 주목받을 만하다.
또한, 환자 맞춤형 유도 줄기세포 기반의 정밀의학적 뇌 질환 모델을 통해 실제 환자의 병리 특성을 반영한 점도 포인트다.
최민이 교수는 “이번 연구는 단백질 응집으로 인한 염증 반응의 조절자가 RNA 편집이라는 새로운 층위에서 작동함을 입증한 것으로, 기존의 파킨슨병 치료 접근과는 전혀 다른 치료 전략을 제시할 수 있다”고 밝혔다. 최 교수는 이어 RNA 편집 기술을 통해 파킨슨병 치료제를 비롯한 신경염증 치료제를 개발하는 데 있어 중요한 전환점이 될 수 있을 거라고 강조했다.
이번 연구에는 최민이 교수가 제1 저자로 참여했으며 <사이언스 어드밴스(Science Advances)>에 4월 11일 게재됐다.
작년 12월 말, 행정안전부 발표에 따르면 우리나라 65세 이상 인구 비율이 전체의 약 20%를 넘어섰다. 국제연합(UN)에서 제시한 기준으로 ‘초고령 사회’가 된 것이다. 고령 인구 비율이 높을 경우, 사회 전반적으로 ‘노인성 질환’에 대한 관심이 높아진다.
전 세계적으로 관심도가 높은 노인성 질환으로는 3대 질환 중 하나로 꼽히는 뇌졸중과 함께, 알츠하이머와 파킨슨 같은 신경퇴행성 질환이 빠지지 않는다. 오는 4월 11일(금), ‘세계 파킨슨병의 날’을 맞아 경희대학교병원 신경과 유달라 교수와 함께 파킨슨병에 대해 알아본다.
꾸준한 증가세, 10년 전 대비 1.5배
파킨슨병은 치매, 뇌졸중과 함께 3대 노인성 뇌질환 중 하나다. 고령화가 심화되면서 파킨슨병 환자 수 또한 빠르게 증가하고 있다. 보건의료빅데이터에 따르면, 파킨슨병 환자 수는 매년 꾸준히 증가세를 보이고 있다. 2023년 기준 약 14만 명으로 10년 전에 비해 약 1.5배 가량 늘었다.
파킨슨병의 주요 원인은 ‘도파민 부족’이다. 경희대병원 신경과 유달라 교수는 “신경전달물질인 도파민을 분비하는 도파민 신경세포의 감소로 인해 운동장애가 발생하는 퇴행성 질환”이라고 설명하며, “구체적인 원인은 아직 명확하게 밝혀진 바 없으나 유전·환경적 요인이 복합적으로 작용해 발병하는 것으로 알려져 있다”라고 이야기했다.
파킨슨병의 발병 연령층은 평균적으로 50대 중반 이상이 많다. 연령이 높아짐에 따라 발병확률이 높아지는 특성을 보인다.
최근 5년간 꾸준한 증가세를 보이고 있다 / 출처 : 보건의료빅데이터
‘서서히’, ‘복합적’으로 찾아오는 파킨슨병
파킨슨병은 도파민을 만들어내는 세포의 점진적 퇴화로 도파민 부족 상태가 되며 발생한다. 도파민 부족으로 인한 대표적 증상으로는 행동 느려짐(서동, Bradykinesia), 떨림(Tremor), 뻣뻣함(경직, Rigidity), 중심잡기 어려움(자세불안정), 보행장애 등이 꼽힌다.
다만, 도파민 부족으로 인한 운동증상 문제는 갑작스럽게 나타나지 않으며, 보통 발병 수년 전부터 선행 증상이 보인다. 게다가 겉으로 드러나는 움직임 외에도, 체내에서 이루어지는 운동 조절과 관련된 증상으로 나타날 수 있다.
대표적으로 장 운동 조절에 영향을 미쳐 변비가 나타나는 경우가 흔하다. 또, 깊은 수면 단계에서 비정상적인 운동이 발생함으로써 심한 잠꼬대와 같은 수면 관련 문제가 나타날 수도 있다. 또, 도파민이 기분 조절과 관련된 역할도 하기 때문에, 도파민 부족으로 우울증이 나타나기도 한다. 이 역시 파킨슨병의 조기진단 지표로 활용되기도 한다.
유달라 교수는 “환자마다 나타나는 증상과 발생 시기, 진행 양상은 다르지만, 주로 가만히 있을 때 한쪽이 다른 쪽보다 먼저 또는 심하게 손발이 떨리거나 몸이 굳고 행동이 느려지는 특징을 보인다”라고 설명했다.
유달라 교수는 또한, “대부분 여러 가지 증세가 서서히, 그리고 복합적으로 나타난다”라고 강조하며, “자연스러운 노화 현상으로 간주하지 말고, 증상이 불편하지 않더라도 전문 의료진의 진찰을 통해 진단 및 치료 선택지를 받아보는 것이 좋다”고 말했다.
신경전달물질의 일종인 도파민 부족으로, 신체 내부&외부의 운동 조절에 영향을 미친다 / 이미지 출처 : Motion Elements
소실된 뇌세포 회복 불가, ‘증상 완화’ 목표
파킨슨병 진단은 운동증상을 중심으로 신경학적 진찰 소견 및 진행 경과, 약물에 대한 반응 평가로 이뤄진다. 행동이 느려지는 서동증과 함께 떨림 또는 경직 중 하나 이상의 증상을 보이며, 약물에 의한 호전이 확실할 경우, ‘파킨슨병 가능성이 있다’고 임상 진단을 내린다.
필요에 따라 약물 유발 파킨슨증, 혈관성 파킨슨증, 파킨슨증후군과 구별하기 위해 뇌 MRI를 시행하거나 뇌 속 도파민 세포 손상을 확인하는 도파민 운반체 페트(PET) 검사를 하기도 한다.
유달라 교수는 “파킨슨병 치료법에는 약물, 운동, 수술적 치료가 있으나, 이미 소실된 뇌세포를 정상으로 회복시킬 수는 없다”며 “운동을 통해 증상의 진행속도를 늦추거나 약물, 수술적 치료를 통해 불편한 정도를 완화시키는 것이 치료의 목적”이라고 말했다.
파킨슨병에 대해 설명하고 있는 경희대병원 신경과 유달라 교수 / 출처 : 경희대학교병원
약물 치료와 운동 병행 권장
약물 치료는 통상적으로 증상이 일상생활에 영향을 미칠 때 시작한다. 하지만, 증상이 가볍고 일상생활에 지장이 없더라도 주기적인 환자 상태 평가를 통해 필요하다고 판단되면, 최소한의 약물 치료를 조기에 시행하기도 한다.
치료 약물에는 체내에서 도파민으로 전환되는 전구물질(레보도파) 혹은 도파민과 유사한 효과를 발휘하는 효현제, 도파민 분해 억제제, 도파민 분비 촉진제 등이 사용된다.
유달라 교수는 “유병 기간과 약물 치료 기간이 길어지면 약효가 유지되는 시간이 점점 짧아지면서 운동 증상이 다시 심해질 수 있으며, 약효의 변동 폭에 따라 몸이 꼬이거나 비틀리는 등의 이상운동증이 나타날 수 있다”며 “최적의 약물 치료로 이를 개선할 수 없다면, 뇌에 전기 전극을 삽입해 전류로 자극하는 뇌심부 자극술과 같은 수술적 치료를 고려해야 한다”고 말했다.
한편, 파킨슨병 환자에게 약물 복용만큼이나 중요한 것은 바로 운동이다. 되도록 매일, 한 번에 30분 정도, 숨이 좀 찰 정도의 강도로 운동하는 것이 좋으며, 식사 후 습관적으로 산책하거나 수시로 맨손체조를 통해 근력을 기르고 관절을 이완시켜주는 것을 추천한다.
파킨슨병 환자에게는 습관적인 산책 등 꾸준한 운동이 중요하다 / Designed by Freepik
