세포 재생에는 에너지가 필요하며, 세포 내 에너지 생성 발전소인 미토콘드리아가 그 역할을 합니다. “광생물변조” (Photobiomodulation, PBM)는 특정 파장대역의 빛이 미토콘드리아에서 ATP를 생성하는 과정을 설명하는 용어입니다. PBM은 2016년부터 미국 국립보건원 의학 학술정보 분류체계(MeSH)에 미래 치료 수단의 주요 키워드로 등장했습니다.
PBM 기술의 큰 특징은 모세혈관 활성화와 세포 미토콘드리아에서 산화질소 생성입니다. 이를 통해 세포에 영양소와 산소 전달이 원활해져 세포 재생이 활발해집니다. 건강한 세포는 질병 극복의 시작과 끝입니다.
미토콘드리아는 대장과 폐에서 시작된 영양분과 산소를 받아 ATP를 생성합니다. 최근 연구에 따르면, 특정 파장대역의 빛이 사이토크롬 씨 옥시다제(Cytochrome c Oxidase, CCO) 효소를 자극해 ATP 생성이 더 활성화된다는 사실이 발견되었습니다. CCO는 미토콘드리아에서 ATP 생성에 핵심적인 역할을 합니다.
*사이토크롬 씨 옥시다제(cytochrome c oxidase, CCO): 미토콘드리아에 있는 효소 중에서 ATP 생성에 가장 핵심적인 역할을 하는 효소.
생물학(Photobiology)은 비이온화 방사선이 생물학적 시스템에 미치는 영향을 연구하는 학문입니다. 광생물학적 효과는 방사선의 파장, 강도, 주파수에 따라 달라집니다. 방사선은 피부의 DNA, 단백질, 또는 특정 약물 분자를 통해 흡수되어, 세포 내에서 화학적 생화학 반응을 일으키는 물질로 변합니다.
비이온화 방사선은 가시광선과 근적외선을 포함하며, 전리되지 않은 방사선을 의미합니다. 전리 방사선은 자외선, 알파선, 베타선, 엑스선, 감마선을 포함합니다.
생물학적 시스템에서 빛에 대한 광화학 반응은 새로운 것이 아닙니다. 피부의 비타민 D 합성이 그 예로, 자외선 B(UVB)가 피부에 부딪힐 때 7-디하이드로콜레스테롤(콜레스테롤 전구체)을 비타민 D3로 전환시킵니다.
매커니즘
의학 연구에 따르면, 저레벨의 적색 가시광선과 근적외선 에너지가 미토콘드리아에 흡수되면 ATP 생성이 활성화됩니다. 이 과정은 유전자 전사로 이어져 세포의 보수 및 치유를 유도하는 균형 있는 ROS를 생성합니다.
산화질소(NO)는 신경사슬을 열어주고, 시스템으로 방출되어 세포 간 신호 전달과 통신을 돕습니다. 또한, 혈관을 확장시켜 혈액 순환을 개선하며, 혈관 내피세포에서 산화질소가 작용하면 혈관 탄력성이 좋아집니다.
– NO (산화질소) : 세포 간 신호 전달 및 통신을 돕고, 혈관 확장과 혈액 순환을 개선합니다.
– ROS (Reactive Oxygen Species) → PKD (유전자) → IkB (억제인자 κB) + NF-κB (핵인자 κB)
* NF-κB는 유전자 전사를 자극합니다.
-ATP(Adenosine Triphosphate) → cAMP (catabolite activator protein) → Jun/Fos (발암성 전사인자) → AP-1 (활성화 단백질 전사인자는 유전자 전사를 자극합니다).
NO: 산화질소(nitric oxide, •NO; nitrogen oxide 혹은 nitrogen monoxide라고도 함)
무색의 가스로, 질소가 산화된 형태의 화합물입니다.
기본적으로 산화질소는 자유 라디칼로, 화학 구조 내에 짝을 이루지 않은 전자(unpaired electron)를 포함하고 있습니다(•NO에서 점은 이를 의미합니다).
또한, 산화질소는 이종핵 이원자 분자로서, 화학적 원자 결합의 현대 이론 발전에 중요한 역할을 한 분자입니다.
세포 내에서는 아미노산인 아르기닌으로부터 형성되며, 면역 작용, 혈관 확장, 신호 전달 등의 다양한 생리 활동에서 신호전달 물질로 작용합니다.
ROS: 활성산소
활성산소종(ROS)에는 과산화수소(H2O2), 슈퍼옥사이드 이온(O2-), 일중항 산소(¹O2), 수산화 라디칼(•OH) 등이 있습니다.
이들은 우리 몸에서 병원균을 공격하는 역할을 하지만, 과도하게 생성되면 정상 세포까지 공격할 수 있습니다.
특정 스펙트럼의 광 조사에 의해 활성산소종(ROS)이 증가할 수 있습니다.
이때, ROS는 체내 염증이나 세균 침입 시 활성화되는 NF-kB 및 AP1과 같은 산화 환원 민감성 전사 인자들을 활성화할 수 있습니다.
이 전사 인자들은 산화 스트레스에 대한 보호 반응을 유도하는 유전자의 전사를 촉진합니다.
즉, 광 조사로 인해 생성된 ROS는 이러한 과정을 통해 산화 방지제 역할을 할 수 있습니다.
이 과정에서 적절한 파장 대역, 광량, 그리고 표적 세포나 발색단에 맞는 정확한 파장과 강도가 매우 중요합니다.
이 원리는 광 생물학의 제1 및 제2 법칙에 기반하고 있습니다.
이 두 가지 조건이 정확하지 않으면 최적의 흡수가 이루어지지 않으며, 광생물학의 첫 번째 법칙인 그로토스-드레퍼(Grotthus-Draper) 법칙에 따르면, 흡수가 이루어지지 않으면 반응도 일어나지 않습니다.
또한, 광자 강도(photon intensity), 즉 스펙트럼 조도(spectral irradiance) 또는 출력 밀도(W/cm²)가 충분히 높아야 합니다. 그렇지 않으면 원하는 결과를 얻기에 충분하지 않을 수 있습니다.
그러나 강도가 너무 높으면, 광자 에너지가 표적 조직에서 과도한 열로 변환되어 바람직하지 않은 결과를 초래할 수 있습니다.
두 번째로, 선량(dose) 또는 플루언스(fluence)가 충분해야 하지만(J/cm²), 출력이 너무 낮으면 이상적인 에너지 밀도 또는 선량을 얻기 위해 조사 시간을 길게 하는 것이 바람직하지 않습니다.
이는 분젠-로스코(Bunsen-Roscoe) 호혜주의 법칙, 즉 광생물학의 두 번째 법칙이 낮은 출력 밀도에서는 적용되지 않기 때문입니다.
세 명의 유명한 의사가 광(光) 치료에 대해 언급했습니다.
Dr. Len Saputo, MD
샌프란시스코 베이 지역의 존 뮤어 메디컬 센터 (John Muir Medical Center) LLLT 광 테라피에 대한 임상연구)
Dr. Harry Whelan, MD
위스콘신 의대 신경학부 교수 미국 암 협회 (Neuro-Oncology American Cancer Society)
Dr. Gabriel Cousens
Gabriel Cousens는 홀리스틱 의사, 동종 요법사, 정신과 의사, 가족 치료사, 아유르베 딕 (Ayurvedic) 의사 및 한의사로서 활동.
지금까지 노화 이론은 주로 세포 내 미토콘드리아 기능에 초점을 맞춰 왔습니다.
Photobiomodulation (PBM)은 미토콘드리아의 기능 장애를 늦추거나 회복시키는 데 효과가 있습니다. 이를 뒷받침하는 증거로, 전 세계적으로 5,000여 건이 넘는 임상 연구 논문이 발표되었습니다.
특정 파장대역의 광원은 세포 재생 과정에서 오류 발생을 줄이고, ATP와 NO 생성을 증가시켜 혈액순환을 개선하고 에너지를 더 많이 만들어 건강 회복을 촉진합니다.
빛은 생명 그 자체입니다.
태양빛은 지구상의 모든 생명체의 생로병사를 관장합니다.
지구에는 인간의 눈에 보이지 않는 다양한 파장대의 빛부터 가시광선 영역의 보라색에서 적색까지의 빛이 존재하며, 이 진동을 통해 생명이 유지됩니다.
모든 생명체는 생존을 위해 이 모든 빛(파동)에 의존하고 있습니다.
태양광 스펙트럼 중에서 사람의 눈에 보이는 것은 가시광선으로, 무지개 색의 7가지 색상으로 이루어져 있습니다.
그 외에 자외선, 적외선, X선 등의 스펙트럼은 인간의 눈에 보이지 않습니다.
인간은 각 스펙트럼의 전자기파를 다양한 분야에 활용해 왔지만, 아직까지 그 활용 범위는 매우 제한적입니다.
이 글에서는 건강과 치료에 관련된 광 스펙트럼 중 근적외선과 가시광선에 대해 다루고자 합니다.
과거에는 태양광을 직접 이용하여 치료에 활용하기도 했으나, 자외선의 부작용이 알려지면서, 30년 전 독일에서는 할로겐 램프와 물을 이용한 적외선 치료기가 등장했습니다.
하지만 이 장치는 미미한 근적외선 방출로 인해 치료 효과가 크지 않아, 현재는 LED를 이용한 저레벨 광 치료기로 대체되고 있습니다.
최근의 기술에서는 치료 목적으로 주로 800nm에서 1,060nm까지의 근적외선과 430nm에서 750nm까지의 가시광선 대역을 사용합니다.
그러나 각 스펙트럼의 치료 효과는 다를 수 있으며, 동일한 스펙트럼이라도 조도, 강도, 펄스에 따라 효과가 크게 달라집니다.
잘못 사용하면 치료 효과가 없거나, 오히려 광량과 사용 시간에 따라 부작용이 발생할 수도 있습니다.
식물은 햇빛을 이용한 광합성을 통해 생명을 유지합니다.
이 과정에서 식물은 토양에서 흡수한 물과 영양분, 공기 중의 이산화탄소를 활용해 산소를 방출하고, 엽록소, 미네랄, 비타민 등 다양한 영양소를 생성합니다.
동물도 광화학 작용을 통해 빛의 영향을 받습니다.
오래전부터 빛이 몸의 순환 과정과 질병에 중요한 역할을 한다는 것이 알려져 있었습니다.
2002년, NASA의 Harry Whelan 박사는 LED 광에 대한 연구를 발표했습니다.
이 연구는 위스콘신 의과대학과 NASA가 후원한 프로젝트로, 발광 다이오드(LED)를 사용해 건강을 증진하는 방법에 중점을 두었습니다.
연구 결과, 심각한 화상, 치유가 어려운 상처, 근육 및 힘줄 염좌, 손상된 신경, 그리고 눈 부상이 매우 빠르게 치료될 수 있다는 사실이 밝혀졌습니다.
NASA는 원래 상업용 식물 성장 연구를 위해 개발된 강력한 LED가 다양한 질환의 치료에도 효과적일 수 있다는 사실을 발견했다고 발표했습니다.
특히, 이 연구는 세포 내 미토콘드리아의 사이토크롬 씨 옥시다제(CCO) 단백질 효소가 특정 파장의 빛을 흡수해 생명체의 에너지원인 ATP(아데노신 삼인산) 생성을 촉진한다는 사실을 밝혀냈습니다.
이는 생명이 빛에 의존하고 있다는 중요한 생물학적 발견입니다.
인간을 포함한 동물들은 눈과 피부를 통해 빛을 흡수하며, 이를 통해 생명 활동을 유지합니다.
헝가리 부다페스트의 Semmelweis University에 있는 Endre Mester 교수는 1965년, 최초의 레이저가 개발된 직후에 레이저 광을 이용한 선구적 연구를 시작했습니다. 첫 번째 프로젝트에서는 레이저로 암을 유발할 수 있는지 알아보려 했지만, 실험 결과 치료받은 그룹은 암에 걸리지 않았고, 대신 그들의 등에서 머리카락이 빠르게 자라는 현상이 관찰되었습니다.
이로 인해 저레벨 레이저 치료의 치유 효과에 관한 연구가 시작되었습니다.
1971년, Mester 교수는 레이저 빛이 상처 치유에 효과적이라는 첫 논문을 발표했습니다.
1984년까지 그는 저레벨 레이저 치료법을 이용해 전통적인 약물 치료나 성형 수술로 치유되지 않던 상처나 궤양을 가진 1,300명 이상의 환자들을 치료했습니다.
그 사이, 소련에서도 저레벨 레이저 요법 연구가 크게 발전했으며, 1980년대 아프가니스탄 전쟁에서 소련군은 상처 치유 속도를 높이기 위해 저레벨 레이저 요법을 사용하여 큰 효과를 얻었습니다.
Tiina I. Karu 교수는 저레벨 레이저 및 LED 연구 분야에서 세계적인 권위자로, 2011년에 북미 LED 광치료 협회(NAALT)로부터 공로상을 수상했습니다.
레이저 장치는 안전한 사용을 위해 전문가의 교육이 필요하지만, LED 광치료 기술은 가정에서도 쉽게 사용할 수 있으며, 다양한 질환을 치료할 수 있는 장점이 있습니다.
저레벨 레이저 및 LED 광치료에서 중요한 요소 중 하나는 LED의 파장 스펙트럼입니다.
파장은 나노미터(nm) 단위로 측정되며, 가시광선 스펙트럼은 약 380nm(자색)에서 750nm(적색)까지의 범위를 가집니다.
이 범위 밖의 자외선(380nm 이하)과 적외선(750nm 이상)은 눈에 보이지 않습니다.
적외선은 근적외선과 원적외선으로 구분되며, 특히 근적외선은 피부 조직 깊숙이 침투하는 특성이 있어 치료 목적으로 많이 사용됩니다.
원래 LED는 치료 목적이 아닌 산업용으로 설계되었지만, 연구자들은 이를 의학 연구에 활용해왔습니다.
그러나 모든 나노미터 단위의 LED 스펙트럼이 치료 효과가 뛰어난 것은 아닙니다.
치료 효과가 높은 특정 스펙트럼을 정확히 사용하는 것이 중요합니다.
예를 들어, 610nm에서 750nm의 적색 스펙트럼과 780nm에서 1,100nm의 근적외선 스펙트럼 중에서도 치료 효과가 높은 스펙트럼이 따로 있습니다.
반면, 일부 스펙트럼은 치료 효과가 없거나, 광량과 사용 시간에 따라 부작용을 초래할 수도 있습니다.
따라서, 하나의 파장이나 색상보다는 치료 효과가 높은 다양한 파장 대역의 집합을 적용하는 것이 중요합니다.
또한, 신체 부위별, 병증별로 적합한 스펙트럼과 광량을 사용하는 것이 필요합니다.
앞으로 더 정교한 연구가 필요한 부분입니다.
광이 인체에 침투하는 깊이는 파장에 따라 크게 달라집니다.
예를 들어, 620~750nm의 적색 가시광선은 청색이나 녹색 가시광선보다 더 깊게 투과합니다.
NASA 연구에 따르면, 940nm의 근적외선 파장은 최대 약 23cm까지 피부 속을 침투할 수 있다고 밝혀졌습니다.
이러한 침투 깊이는 치유 효과와 밀접한 관계가 있습니다.
Pankratov 박사팀은 경락이 신체의 경직을 일으킨다는 사실을 발견했고, 특정 스펙트럼의 광을 피부에 조사할 때, 그 광이 피부 아래에서 경락을 따라 약 10cm 떨어진 지점까지 전달된다는 것을 밝혔습니다.
이 과정에서 광이 이동하는 경로가 침술점과 일치한다는 점에 놀라움을 표했습니다.
박사는 “우리 몸은 광섬유 시스템과 유사한 ‘광 분배 시스템’을 이루고 있으며, 가시광선과 근적외선이 신체 특정 부위에 노출되면 광이 경락을 따라 먼 거리를 이동할 수 있다”고 결론지었습니다.
Photobiomodulation (PBM) 요법의 치유 유발 근거
PBM 요법은 인체의 세포 재생 기능을 지원하며, 광 자극이 제거된 후에도 일정 기간 동안 그 효과가 지속됩니다.
러시아의 Tiina Karu 교수의 연구에 따르면, PBM 요법은 세포 내 미토콘드리아의 광 흡수 효소가 ATP 생성을 촉진함으로써 신진대사를 크게 개선하는 화학적, 생물학적 과정을 설명합니다.
PBM 요법의 주요 효과는 다음과 같습니다
– 세포 재생 촉진
– 혈액순환 개선
– 노폐물 효율적 배출
신진대사는 건강에 매우 중요한 과정으로, 이 과정이 활성화됨으로써 광범위한 치유 효과를 얻을 수 있습니다. PBM 요법은 세포 내에서 이러한 치유 과정을 촉진합니다.
사이토크롬 C 옥시다제 효소 (Cytochrome c Oxidase)
특정 파장대역의 가시광선과 근적외선 광원이 조직 세포에 조사되면, 이 광원은 미토콘드리아의 광 흡수 효소인 사이토크롬 C 옥시다제에 의해 강하게 흡수됩니다.
이는 미토콘드리아 내 전자 전달을 증가시켜, 치유에 필요한 에너지인 ATP 합성을 촉진합니다.
미토콘드리아는 세포 내에서 산소, 광, 영양분을 사용하여 에너지로 전환하는 중요한 역할을 합니다.
ATP는 신체 에너지의 주요 원천으로, 사이토크롬 C 효소의 활성 증가는 더 많은 ATP(Adenosine-Tri-Phosphate) 생성을 촉진합니다.
ATP가 많다는 것은 신체에 에너지가 풍부하다는 의미이며, 이는 치유 과정을 더 빠르고 효율적으로 진행시키고, 면역력의 균형을 유지하는 데 중요한 역할을 합니다.
Dr. Whelan 박사의 연구는 NASA의 후원을 받아 수행된 것으로, 그 핵심 내용은 다음과 같습니다.
“근적외선은 세포의 에너지를 증가시키는 데 최적이며, 조직에 에너지를 공급하고 치유를 가속화합니다.”
비슷하게, Tiina Karu 박사도 ATP의 중요성을 강조하며, “ATP는 세포 내부의 에너지원일 뿐만 아니라, 체내의 세포와 조직 간의 상호 통신을 가능하게 하는 중요한 신호 분자”라고 설명합니다.
세포의 성장과 소멸은 DNA에 의해 결정됩니다.
각 세포는 DNA와의 소통을 통해 빈틈없는 신호 프로그램을 유지하고 있습니다.
Whelan 박사는 특정 파장대역의 가시광선과 근적외선이 세포와 DNA에 어떻게 작용하는지 설명하며, 다음과 같은 결과를 제시했습니다.
“NASA에서 가시광선의 적색과 근적외선 스펙트럼을 사용하여 섬유 α 세포와 근육 세포의 DNA 합성을 연구한 결과, 근육 세포의 형성이 평소보다 5배 증가했습니다.”
이 연구는 특정 광 스펙트럼이 세포 재생과 조직 형성에 긍정적인 영향을 미칠 수 있음을 보여줍니다.
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