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[영틀신반] Episode #43 - Oxygen (O2) ...산소부족
종합 madpatcher (2022-07-11)

Episode #43

“산소 (Oxygen)” - 산소 부족

 

‘나는 누구이고, 이곳은 어디인가?'

Oxygen

출처: https://www.imdb.com/title/tt6341832/


산소의 중요성은 누구나 다 알 것이다. 몇몇 공상과학 영화를 보면, 산소가 희박해질 때, 사람이 어떠한 증상을 보이는지 묘사를 한 장면들이 있다. 이번 연재는 산소가 제한적인 밀폐된 공간에서 기억도 없는, 탈출도 할 수 없는 상황을 그린 영화 “Oxygen”을 소재로 선택하였다. 산소가 없으면, 사람은 살 수가 없다. 신체의 많은 장기들이 산소부족에 취약하지만, 그중에서 뇌는 신체가 호흡하는 전체 산소량의 25%를 사용한다. 100억 개가 넘는 뇌세포가 정상적으로 활동하기 위해서는 많은 양의 산소가 요구되는 것이다. 산소가 부족한 경우, 5분 이내에 뇌세포들은 죽기 시작한다고 한다 (출처 1).
 

‘아무런 기억 없이 갑자기 깨어난 곳은 캡슐’


영화 Oxygen(O2)는 기억을 잃은 한 젊은 여성이 의료용을 보이는 극저온 캡슐에서 깨어나면서 시작된다. 그리고 나서, 인공지능 ‘밀로’가 시스템 장애로 캡슐 안의 산소가 35% 남았음을 알린다. 깨어난 여성은 자신이 갇혀있는 상황이라는 것을 알게 되고, 패닉 상태를 겪는다. 납치된 것으로 생각하고 밀로에게 내보내 달라고 요구하지만, 거부당한다. 도와달라고 소리도 쳐보지만, 아무런 응답이 없고, 산소량은 점점 줄어들기 시작한다.
 

‘몸속의 산소 많아도 문제, 적어도 문제’


몸속의 산속가 적다면, 흔히 우리는 빈혈을 떠올릴 수 있다. 혈액 속에서 산소를 운반해주는 헤모글로빈의 농도가 낮으면 발생한다. 빈혈로 인해 고소 뇌부종(HACE) 같은 여러 가지 합병증이 발병할 수 있다. 고소뇌부종은 급성 고산병과 관련  있다. 고지대에 도착해서 6-12시간 사이에 두통, 구토, 식욕부진, 피로감, 어지러움, 불면증 등이 해당된다. 드물게 폐와 뇌에 물이 차는 치명적인 질환이 발생하기도 한다. 뇌에 물이 차는 고소뇌부종은 고산병과 고산폐부종을 보이는 환자의 증상 중 하나인 조화 불능 운동, 혹은 의식 수준의 변화가 나타날 때, 진단된다.

반대로 산소가 많아도 문제인데, 산소 중독이라는 증상은 고압의 산소에 오래 노출되어있으면 발병한다. 이 경우, 중추신경계는 의식상실과 경련을 일으키고, 폐에서는 호흡곤란과 가슴통증을 유발한다. 눈의 경우도 고압에 의해 변화가 생긴다. 이런 현상의 원인은 혈액 속의 산소 농도가 높아지면서, 헤모글로빈이 기능을 하는 것이 아니라 물리적으로 혈액에 녹아있는 산소가 조직에 공급되어 헤모글로빈이 이산화탄소에 결합을 하지 못해 점점 축적되어 독성을 일으키는 것이 원인으로 설명이 된다 (출처 2).
 

‘나는 누구인가?’


인공지능 ‘밀로’는 캡슐 속에 갖여있는 여인의 신원이 오미크론 267 이라고 알려주며, 밀봉된 캡슐을 열기 위해서는 관리자의 비밀번호를 입력해야 한다고 말한다. 여인은 외부 송신을 통해, 경찰과 연결되었고, 캡슐의 제조업체가 크리오잘리드라는 것과 일련번호를 알게된다. 오미크론 267은 자신의 DNA 분석을 통해 본인이 ‘리즈’라 불리는 엘리자베트 양센 박사라는 것을 알게된다. 그리고, 양센 박사는 의료혁명으로 노벨상을 수상한 극저온 공학박사이며, 자신에게는 사랑하는 남편인 레오 퍼커슨이 있다는 사실도 알게 된다. 리즈는 남편인 퍼커슨에게 연락을 하지만, 낯선 여자가 받은 뒤에 곧바로 전화를 끊어 버린다. 잠시 후 연결된 과학 기술팀의 모로 경감은 리즈가 결혼한 적이 없다고 말한다. 리즈는 모로가 거짓말을 하고 있다고 직감했고, 모로가 납치법이라고 생각하고 통신을 종료한다.
 

‘산소 농도에 따른 현상’


산업안전보건법 산업안전보건기준에 관련 규칙에서는 산소농도가 18% 미만일 경우 산소결핍이라고 규정한다. 미국의 산업안전보건청에서는 산소농도가 19.5% 미만일 경우를 산소결핍이라고 한다. 반대로 23.5% 초과 경우는 산소 과잉이라고 정의한다. 산소 결핍증이란 산소가 결핍된 공기를 흡입함으로써 생기는 이상 증상을 말한다 (출처 3).

성인은 1분에 0.2 ~ 0.3리터의 산소를 소비하며, 앞서 언급한 것처럼, 뇌가 가장 많은 산소량을 소비한다. 산소 공급량이 감소하게 되면, 뇌의 활동성에 저하가 일어나고, 산소가 없이 2분이 경과되면, 대뇌의 피질 세포가 비가역적으로 손상을 받고 6~8분 후에는 전신으로 그 영향이 퍼지게 되어 사망에 이르게 된다. 저 산소 상태가 되면, 대뇌 혈류량을 증가시켜 뇌로의 산소를 증가시킨다. 그러나 장기간에 이르게 되면, Brainstem (뇌간), Hippocampus (해마), Cerebral cortex (대뇌피질) 등에 영향을 주게 된다. 산소 농도에 따라 생리학적 현상이 단계적으로 관찰된다 (그림 1).
 

산소농도에 따른 생체반응

그림 1. 산소농도에 따른 생체반응 (출처 3)


‘캡슐의 진실’


리즈의 전화를 끊었던 여인이 리즈에게 다시 연락을 해온다. 그녀는 캡슐을 열 수 있는 비밀번호를 알려주지만, 캡슐을 열면 죽는다고 경고한다. 리즈는 캡슐 밖을 보게 된다. 광활한 우주가 보이고, 리즈는 자신이 지구에서 멀리 떨어진 우주선 안에 있다는 사실을 알게 된다.
 

‘저산소증(Hypoxia)’


저산소증은 뇌에 심각한 영향을 준다는 것이 많은 연구들을 통해 잘 알려져 있다. 저산소증에 의한 뇌 손상 과정도 연구가 많이 되어왔다 (그림 2). 과정 중에 매개체들이 연구가 되어서 그 매개체들을 타깃으로 활성 조절 등에 대해서도 연구가 진행 중이다.
 

Hypoxia-induced brain injury의 과정

그림 2. Hypoxia-induced brain injury의 과정. Hypoxia는 excitatory amino acids 분비를 유도한다. Intracellular calcium의 축적이 일어나고, necrosis(괴사)가 발생된다. 또한 apoptosis(세포자멸사, 세포 자살)도 일어나게 된다. 이 과정에서 ROS의 생성이 원인이 된다 (출처 4). 


Hypoxia의 pathway에서 NOS(nitric oxide synthesis)가 중요한 역할을 할 것이다라는 연구보고가 있다. NO는 neurotoxic 또는 neuroprotective 역할을 하는 것으로 알려져 있는데, NOS isoform에 의존한다고 한다. Excessive NO production은 neurotoxic이 될 수 있으며, excitotoxicity, inflammation, apoptosis 등을 유도한다 (출처 5).

다른 Hypoxia관련 연구를 살펴보면, hypoxia에 대한 neuronal responses가 astrocytes와 관련 있다는 실험 결과들이 있다. 그중 한 연구결과를 보면, neuron에 있는 nuclear receptor RORa(retinoid-related orphan receptor-alpha)가 역할을 한다고 한다. Hypoxia 후에 RORa의 기능 부족은 neuronal death를 증가시키는 것을 관찰하였다. 이러한 관찰은 cell-autonomous neuroprotective effect를 제시하고, astrocyte에서의 실험 결과 역시 non-cell-autonomouse action이 중요함을 보이고 있다 (그림 3).
 

Hypoxia 동안에 cell-autonomous와 non-cell-autonomous neuroprotective functions

그림 3. Hypoxia 동안에 cell-autonomous와 non-cell-autonomous neuroprotective functions. A. RORa가 결핍된 neurons이 hypoxia로 인해 neuronal death rate이 증가된 경우. B. RORa가 결핍된 astrocytes가 hypoxia로 인해 neuronal death rate을 증가시킨 경우. C. neurons과 astrocytes 모두가 RORa결핍이 발생된 경우는 hypoxia로 인해 neuroal death rate이 큰 폭으로 증가된 것을 관찰 (출처 6). 

‘산소 부족으로 죽을 위기에 처한 리즈’


리즈는 인류가 원인을 알 수 없는 바이러스로 인해 멸망을 앞두었다는 것을 알게 된다. 지구에서는 혼란을 방지하기 위해 행성 이주 비밀 프로젝트를 실행하고, 새로운 행성에서 인류를 번성시키려 한다. 이를 위해 기억 전송을 통한 복제인간들이 동면상태에 있는 하이브 우주선을 발사시켰는데, 그 우주선에는 10,000대의 오미크론 캡슐이 실려있다. 목적지는 지구에서 14광년 거리의 새로운 행성 울프 10-61C이다.

리즈는 정체모를 여인으로부터 12년 전부터 동면 중이었다는 사실을 듣게 된다. 얼마 후 그 여인은 누군가에 의해 체포되고 통신은 단절된다. 리즈는 우주선 안에 1만 개의 캡슐 중 42 캡슐에 사랑하는 레오가 동면중임을 확인한다. 그리고 지금까지 연락했던 그 여인이 바로 자신인 안센 박사라는 것을 알게 되고, 자신은 기억을 전송받은 복제인간이라는 사실을 깨닫는다. 리즈는 살고자 하는 강한 의지로 다시 동면 프로젝트를 가동하고, 도착할 행성에 대한 설명을 들으며 동면에 들어간다.

우리가 일상생활을 하면서, 중요성을 잘 모르고 있는 산소. 물론 코로나바이러스로 인해 마스크를 착용하기 시작하면서, 공기 질의 중요성을 많이 인식하게 되었다. 우리가 생명을 유지하기 위해서는 절대적으로 필요한 요소들이 있는데, 그중 산소는 이번 연재를 통해 저산소(Hypoxia) 상태에서 어떤 증상과 어떤 기전이 뇌에서 일어나는지 간단히 살펴보았다. 이런 연구내용들은 현재 질환모델과 함께 연구 중이며, 치료 약물에 대한 연구도 병행되고 있다. 신선한 공기를 맞으며, 뇌에 활력을 불어넣는 하루를 만들어 보자.
 

출처:

  1. https://my.clevelandclinic.org/health/diseases/6025-cerebral-hypoxia

  2. https://www.ksakosmos.com/post/%EC%82%B0%EC%86%8C-%EB%84%88%EA%B0%80-%EA%B7%B8%EB%A0%87%EA%B2%8C-%EC%A4%91%EC%9A%94%ED%95%B4

  3. Kim, H. Y. (2017). 화학물질 관리에 대한 이해 68-산소결핍과 건강장해 예방. 월간산업보건, 37-43.

  4. Piešová, M., & Mojmír, M. A. C. H. (2020). Impact of perinatal hypoxia on the developing brain. Physiological research, 69(2), 199.

  5. Liu, H., Li, J., Zhao, F., Wang, H., Qu, Y., & Mu, D. (2015). Nitric oxide synthase in hypoxic or ischemic brain injury. Reviews in the Neurosciences, 26(1), 105-117.

  6. Jolly, S., Journiac, N., Naudet, F., Gautheron, V., Mariani, J., & Vernet-der Garabedian, B. (2011). Cell-autonomous and non-cell-autonomous neuroprotective functions of RORα in neurons and astrocytes during hypoxia. Journal of Neuroscience, 31(40), 14314-14323.

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"안녕하세요. [영틀신반] 연재를 맡게 된 박성모 입니다. 간략히 제 소개를 하자면, 현재 캐나다 토론토 Sickkids hospital 소속 연구센터의 Neuroscience Mental Health Program 소속인 Dr. Sheena...

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