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세미나 및 칼럼

<켐온 칼럼> Biologics: 척수강내 주사와 무릎 관절내 주사-(3)

1. Intrathecal injection(척수강내 주사)과 관련-기타 주사

1) Intrathecal injection(척수강내 주사)  

○ 개념: 척주관(spinal canal, 척수관; vertebral canal, 축추관) 및 지주막하공간(subarachnoid space) 내로 주사바늘을 통해 약물 또는 바이오의약품을 하는 주입하는 방법이다. 척주관은 각각의 척추뼈에 위치한 척추뼈구멍들이 연속적으로 이어져 1개의 관을 형성한 것이다. 척주관 속에는 척수와 수막, 혈관, 말초신경의 일부가 위치하고 이들을 보호한다. 또한 척추강내 주사는 지주막하공간으로 주입도기 때문에 지주막과 연막 사이의 뇌척수액(cerebrospinal fluid, CSF)에 시험물질이 도달된다.

<그림> 마우스의 척수강내 주사(intrathecal injection)의 위치와 척수(spinal cord)와 연결된 신경계와 근육

○ Intrathecal injection의 위치: <그림>의 A)에서처럼 마우스에서의 요추(lumbar vertebrae)의 L5와 L6사이를 통해 주입된다. 요추는 흉추(thoracic vertebrae)에서 아래로 이어지는 6개의 척추뼈로 몸무게를 받쳐주고 있어 가장 큰 형태를 띄며 다른 척추뼈에 비해 운동성이 크다. Sciatic nerve(좌골신경)은 허리뼈신경 및 엉치뼈신경이 합쳐져 만들어지는 허리엉치신경얼기에서 갈라져 나오는 가장 큰 단일 신경이다. 배근신경절(dorsal root ganglia, DRG)은 척추의 후근에 축색의 세포체들이 모여 있는 부위이다. 배근(dorsal root)은 등쪽에서 척수로 들어가는 척추신경에서 감각섬유만 있는 부분이다. 이 섬유의 세포체는 신경의 바깥쪽에만 분포한다. 복근((ventral root) 척수에서 시작되는 운동 섬유를 갖고 있는 배쪽(에 위치한 척추 신경의 일부분이다.

○ 마우스에서의 요추(lumbar vertebrae)의 L5와 L6사의 척수강내 주사 이유: <그림>의 A)에서처럼 intrathecal injection은 요추 L5와 L6 사이에 주사되기 때문에 지주막하공간(subarachnoid space) 주사이라고도 한다. 이는 spinal cord(척수)가 마우스의 요추 L2에서 끝이 나고 L4와 L5에는 척수가 없는 뇌척수액만 존재하는 곳이기 때문이다. 척수는 척추 및 요추에 의 의해 보호받으며, 척추 내에는 감각 뉴런과 운동 뉴런이 모여 있다. 척추동물의 신경계는 중추 신경계와 말초 신경계로 이루어져 있으며, 중추 신경계는 외부 및 내부로부터 받은 자극을 종합 · 분석하여 판단하고 그에 대한 반응을 명령한다. 중추 신경계는 두개골에 싸여 있는 ‘뇌’와 척추뼈로 둘러싸여 있는 척수로 이루어져 있다. 척수는 뇌와 마찬가지로 3층의 수막에 둘러싸여 있고 그 사이 공간으로 뇌척수액이 흐른다. 척수의 가장 중요한 기능은 뇌와 온몸의 신경계를 잇는 역할이다. 말초 신경계에서 받아들이는 자극은 척수를 통해 뇌로 올라가고, 마찬가지로 뇌에서 보내는 운동 신호는 척수로 내려와서 말초 신경계로 보내진다(자극 → 척수 → 뇌 → 척수 → 반응). 이렇게 척수가 있으면 척수가 없는 동물에 비해 훨씬 빠른 속도로 뇌의 신호를 전달할 수 있기 때문에 척추동물이 무척추동물에 비해서 중추 신경계가 크게 발달해 있다. <그림>의 B)에서처럼 요추 L2 이상이 위부분인 흉추에 주사를 할 경우 척수 손상을 유발할 수 있다. 척수 손상은 질병이나 외상에 의해 척추 내에 존재하는 중추 신경계인 척수에 손상이 생겨 손상된 척수가 지배하는 하지 및 상지의 운동, 감각과 자율신경 기능에 이상이 생기는 질환을 유도한다. 따라서 Intrathecal injection은 요추 L4와 L5의 위치하고 뇌척수액만 존재하는 지주막하공간에 이루어진다, 이에 Intrathecal injection(척수강내 주사)내 주사는 지주막하공간(subarachnoid space) 주사이기도 하다.

<그림> 마우스의 L4와 L5의 위치 그리고 지주막하공간(subarachnoid space) 주사(injection)

요추 L4와 L5의 찾기 위해서는 <그림>의 A)에서처럼 갈비뼈가 연결된 척추 Th13을 먼저 찾은 후 <그림>의 B)에서처럼 아래쪽으로 요추 L1-L6의 위치를 추정할 수 있다.

<그림> 마우스의 13번 척추(T13 thoracic vertebrate)와 이에 이어진 요추 L1, L2, L3(lumbar vertebrae)

○ BDNF-유전자 치료제의 지주막하공간(subarachnoid space) 주사 사례: BNDF(Brain-derived neurotrophic factor)뇌유래신경영양인자, 또는 '뇌 유도성 신경영양인자', 뇌신경 생장인자이다. BDNF는 BDNF 유전자에 의해 생성되는 뇌 안에 있는 단백질로서, 성장요소의 일부인 신경영양인자(neurotrophic factor) 집단 중의 하나이다. 이 인자는 기본적인 신경 성장 요인에 연관되어 있으며, 뇌와 그 주변부에서 찾아볼 수 있다. BDNF 결핍과 우울증, 조현병, 강박장애, 치매, 알츠하이머병, 레트 증후군, 헌팅턴병, 신경성 식욕부진증, 폭식증, 뇌전증과의 연계성이 존재한다는 연구결과들이 다수 발포됐다. 또한 자폐성 장애를 가진 사람에게서 뇌유래신경영양인자가 결여되어 있다는 연구 결과가 있다. <그림>은 인위적으로 마우스의 spinal cord에 상해를 유발하여 이에 의한 신경계 장애를 치료하기 위해 BDNF-expressing DNA의 지주막하공간 주사를 나타낸 것이다, BDNF-유전자를 효과적으로 주사하기 위한 전달체(delivery vehicle)로 plasmid DNA 벡터 이용되었고 이는 다시 양전하를 띄고 있는 합성 고분자 물질(polycation)과 결합된다. 이들 복합체를 폴리플렉스(polyplex)라고 한다. 바이오의약품의 체내 투입과정에서 발생할 수 있는 대표적인 약점은 전달하고자 하는 단백질 또는 유전자의 반감기가 짧아 활성이 급격히 감소하는 문제점이 있다. 폴리플렉스는 생체분자를 껍질의 형태로 보호하며 오랜 기간 세포내 혹은 체내에 머물며 서서히 방출되도록 하여 장기간 활성 또는 유전자 발현을 유도할 수 있도록 도와주는 역할을 한다.

<그림> 바이오의약품인 BDNF-expressing 유전자 치료제의 지주막하공간(subarachnoid space) 주사

2) 척추와 관련-기타 주사

○ 말초신경계와 바이러스 벡터-매개 유전자 치료제 주사: 아래의 <그림>은 말초신경계(peripheral nervous system, PNS)와 바이러스-매개 유전자 치료제를 척수강내 주사 외에 위치에 따라 직접 신경절내(direct intraganglion) 및 직접 척수내(direct intraspinal) 드의 다양한 주사 방법을 나타낸 것이다. 예를 들어 위치에 따라 그에 적절한 유전자를 포함한 바이러스-매개 유전자 치료제를 배근신경절(dorsal root ganglia, DRG), 일차감각신경계를 비롯하여 운동신경계 등에 주사할 수 있다. 특히 척수내의 신경계에 주사는 일차감각신경계 및 근육의 운동신경계에 모두 유전자 전달체가 도달한다. 또한 필요에 따라 배각(spinal dorsal horn), 복각(spinal ventral horn), 회백질(gray matter), 백색질(white matter) 등에 주사가 가능하다.

<그림> 척추 내의 위치에 따른 다양한 바이오의약품 주사 방법

3) 주요 장비 및 주사 용량

○ 척추와 관련 미량주사를 위한 기본 장비는 소동물뇌정위 고정기(stereotaxic instrument), 척추고정장치(spine clamps) 그리고 미량주사펌프(microsyringe pump) 등으로 구성되어 있다. 척추고정장치는 척수를 보호하는 척주(vertebral column)와 미량주사 펌프를 고정시키는 기능을 한다. 디지털 조절기를 가진 소동물뇌정위 고정기는 유리 미세모세관(glass microcapillry)을 주입위치로 유도한다. 미량주사 펌프는 바이러스 시험물질 용액의 주입 속도를 조절한다. 바이러스.가 포함된 시험물질을 50 nl/min의 속도로 0.5 μl 바이러스를 주입한다.

<그림> 척추와 관련 미량주사를 위한 기본 장비: A) 소동물뇌정위 고정기(stereotaxic instrument), 미량주사펌프(microsyringe pump), 척추고정장치(spine clamps), B) 유리 미세모세관(glass microcapillry)

○ 유리 미세모세관(glass microcapillry)을 통한 주입: 척주강 또는 척수배각(spinal cord horn) 등 요추와 관련 위치에 주사를 위해 경우에 먼저 <그림>의 A)에서처럼 직경 0.5 mm 드릴(drill)로 드릴로 요추(lumbar vertebra) 부위를 제거하여야 한다. 물론 이로한 구명은 <그림>의 B)는 먼저 설치된 척추고정장치(spine clamps)에 고정된 마우스 요추에 구멍을 만든 후 이루어진다. 이 구멍을 통해 유리 미세모세관이 연결되어 척주강(spinal canal) 내 또는 배각 등의 위치에 바이오의약품이 주입된다. <그림>의 B)와 C)의 경우에는 척수배각(spinal dorsal horn)에 유리 미세모세관이 연결되었다.

2. Intraarticular injection(관절내주사)  

○ 관절 구조: 아래 <그림>의 A)는 마우스에 무릎 관절 구조이다. 관절(articulation)이란 둘 이상의 골간의 접합부위 즉, 뼈와 뼈 사이가 서로 맞닿아 연결되어 있는 부위를 말하며 우리 몸의 활동을 가능하게 하는 중요한 부위이다. <그림>의 B)에서처럼 관절의 뼈와 뼈 사이에는 관절연골(articular cartilage)이라는 유리연골의 얇은 층이 있다. 연골 주머니모양의 구조의 윤활막(synovial membrane)과 윤활액이라는 끈끈한 액체를 분비하는 윤활막세포(synoviocyte)로 구성된 윤활조직이 있다. 윤활액은 단백질·염류·하이알루론산 등을 포함하고 있으며 관절 표면에 영양을 공급하고 관절 부위를 매끄럽게 한다. 윤활액에는 또한 백혈구와 림프구가 존재한다. 백혈구(leukocyte)는 수백만개로 혈액과 조직에서 이물질을 잡아먹거나 항체를 형성함으로써 감염에 저항하여 신체를 보호하는 역할을 한다. 백혈구는 중성백혈구, 염기성백혈구, 산성백혈구, 단핵구와 대식세포, 림프구 등 5종류다. 중성백혈구(neutrophil)는 산성백혈구 및 염기성백혈구와 함께 과립구로 알려진 백혈구 그룹을 구성한다. 인체 내에서 발생되는 전체 백혈구의 약 50~80%가 중성백혈구이다. 대식세포(macrophage)는 큰 세포로 아메바운동을 할 수 있기 때문에 손상된 염증이 있는 세포와 찌거기를 삼킨다. 산성백혈구는 알레르기 반응을 일으킬 때 증가하는데 항원-항체 복합체를 삼키며, 히스타민 같은 특정 화학물질의 작용을 억제한다. 염기성백혈구는 치유되고 있는 곳이나 만성적인 염증이 있는 곳에 특히 많다. 림프구(lymphocyte)는 B세포와 T세포의 2가지로 나누어져 있는데, 2가지 모두 몸에서 이물질(항원)을 식별하여 이에 결합한다. B세포는 항원에 반응하여 항체를 생산하여 혈액 속으로 보낸다. 일부 T세포는 감염된 세포에 결합하여 이를 죽이고, 그외의 T세포는 다른 T세포나 B세포를 활성화시키거나 방해한다. 이들 2종류의 림프구는 조직과 기관에서 활동한다. 혈관은 관절주머니의 섬유층과 윤활막이 만나는 부분까지만 들어가 있어서 관절연골에는 영양공급이 직접적으로 되지 않는다.

                    <그림> 마우스의 무릎 관절과 연골 구조

○ 관절내 주사: 아래의 그림과 동영상 참조




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