인간의 불완전 SCI에 모터 기능에 Pharmacologically 유도 수선을 계량하는 방법

본 프로토콜의 목적은 세로토닌성 약물 투여 후 불완전 척수 손상 환자의 운동 행동 변화를 기술하는 것입니다. 이를 위해, 기초선, 하지 근력 및 반사 행동의 임상적 측정치를 평가하기 위해 표준화된 평가를 수행합니다. 더 정밀한 측정값을 얻기 위해, 선택된 근육군의 근력 및 반사 기능에 대한 정량적 정적 평가를 실시하며, 특히 최대 수의적 토크와 신전 반사 흥분도를 구체적으로 조사합니다. 이후 추가적인 정량적 동적 평가를 수행하여 트레드밀 보행 중 하지의 운동학적 패턴, 근육 활동 및 타이밍, 그리고 대사 효율을 측정합니다.

마지막으로, 세로토닌성 약물을 블라인드 교차 설계로 투여하고 평가를 반복합니다. 이러한 중개 의학적 접근 방식은 불완전 척수 손상 환자의 수의적 근력 반사와 보행 능력에 미치는 세로토닌성 약물의 효과를 체계적으로 평가합니다. 척수 손상은 손상 직후 운동 제어에 심각한 결손을 초래하는 쇠약성 질환 과정입니다.

대부분의 환자들에게 있어 일차적인 목표는 불완전 손상 환자의 보행 회복이며, 이는 병변 부위 원위부로 여전히 잔존 운동 제어 능력이 남아 있음을 의미합니다. 이러한 회복 가능성이 있을 수 있습니다. 동물 모델 연구에서는 약물제가 운동 제어 및 보행 능력의 회복을 가속화하고 촉진하는 데 도움이 될 수 있음을 보여주었습니다.

하지만 이러한 발견을 인간에게 적용하는 데에는 한계가 있습니다. 본 연구실에서는 이러한 동물 실험 결과를 불완전 척수 손상을 입은 사람들에게 적용하기 위해 노력하고 있습니다. 저희는 약물학적 제제가 불완전 척수 병변이 있는 개인의 운동 제어 및 보행 능력 회복을 촉진하는 데 도움이 될 수 있는지에 대한 질문에 답하고자 합니다.

첫째, 대퇴사두근과 햄스트링 근육군의 경성(spasticity)은 대퇴사두근의 경성을 평가하기 위해 수정된 애슈워스 척도(modified Ashworth scale)를 사용하여 정량화합니다. 검사자는 슬관절을 중심으로 천천히 그리고 빠르게 수동 굴곡 운동을 유도합니다. 마찬가지로, 햄스트링의 경성을 평가하기 위해 검사자는 슬관절을 중심으로 천천히 그리고 빠르게 수동 신전 운동을 유도합니다.

경성 반사는 특정 기준에 따라 0에서 4까지의 척도로 등급을 매깁니다. 이러한 원점수를 서열 척도로 변환하고 굴곡근 경련의 강도 또는 지속 시간을 양측으로 합산하여 종합 점수를 산출합니다. 신근 경련과 클로누스는 척수 평가 도구를 사용하여 정량화합니다.

경직성 반사의 경우, 나열된 기준에 따라 환자의 반응 등급을 매깁니다. 각 다리 내부 및 다리 간의 점수를 합산하여 종합 점수를 산출합니다. 개인이 수의적으로 근육을 수축시킬 수 있는 능력은 미국척수손상협회(American Spinal Injury Association) 가이드라인에 기반한 하지 운동 점수를 사용하여 평가합니다.

관절 주변의 수축 정도를 0에서 5까지의 척도로 등급화하기 위해 지정된 기준이 사용됩니다. L2, L3, L4, L5 및 S1 마이오톰을 양측으로 평가하고 점수를 합산하여 종합 점수를 산출합니다. 반사 활동과 근력에 대한 임상 평가에서 이러한 뚜렷한 결손이 나타남에도 불구하고, 이 환자는 체중 지지 트레드밀 위에서 걸음을 뗄 수 있습니다.

또한, 환자는 롤링 워커의 도움을 받아 지면에서 보행할 수 있습니다. 속도 의존적 신전 반사를 더욱 정량화하기 위해, 근육 활동을 측정하고자 등속성 근력 측정기와 근전도 검사기를 결합한 시스템이 사용됩니다.

표면 기록 전극을 전경골근과 내측비복근에 부착합니다. 환자의 다리를 6자유도 로드셀(load cell)과 연결된 풋플레이트에 고정하고, 발목 관절 축을 로드셀의 중심에 맞춥니다. 느린 신장 섭동(slow stretch perturbations)을 통해 수동 또는 중력 토크를 얻습니다.

이 토크 반응은 반사 성분이 없는 것으로 가정하며, 신속 신전 시의 반응에서 차감됩니다. 신전 반사 흥분성을 평가하기 위한 순 반사 반응을 계산하기 위해, 이완 상태의 환자에게 배굴 또는 저굴 방향으로 단일 또는 다중 신전을 가하여 속도에 따른 흥분성 변화를 평가합니다. 초당 30, 60 및 120도를 포함한 다양한 회전 속도를 측정합니다.

토크 반응은 200 Hz에서 저역 통과 필터링하고 1000 Hz로 샘플링하여 EMG 데이터와 동기화한 토크 신호를 사용하여 정량화합니다. 분석 전, 수동적 기여분 및 중력에 의한 토크를 차감합니다. 근육의 반응은 20~450 Hz에서 밴드 패스 필터링하고 1000 Hz로 샘플링하여 분석 전 토크 데이터와 동기화한 EMG 신호를 사용하여 정량화합니다.

신호는 4차 재귀적 버터워스(Butterworth) 필터를 사용하여 10 hertz에서 정류 및 평활화됩니다. 신장 반사 반응은 조건, 토크 및 EMG 신호를 통해 분석됩니다. 이 분석의 주요 결과 측정 항목에는 최대 토크와 최종 신장 후의 지속적인 근육 활동이 모두 포함됩니다.

등속성 근력계는 수의적 근력을 정밀하게 정량화하는 데에도 사용됩니다. 표면 EMG를 대퇴사두근의 대퇴직근, 외측광근, 내측광근 및 내측 햄스트링을 포함한 허벅지의 네 가지 근육에 부착합니다. 환자의 정강이는 6자유도 로드셀과 연결된 근력계 암(arm)에 고정됩니다.

무릎 관절의 축을 로드셀의 중심에 맞춥니다. 환자가 이완된 상태에서 관절 주변으로 최대 힘을 내도록 지시합니다. 최대의 수의적 힘 생성을 보장하기 위해, 수축하는 동안 환자에게 강력한 구두 격려를 제공합니다.

수축 중 토크가 감소하기 시작하면, 3x5인치 자가 접착 젤 패드 자극 전극을 통해 대퇴사두근에 초최대 자극을 가합니다. 토크 및 EMG 신호는 속도 의존적 신전 반사 평가와 동일한 방식으로 수집 및 처리됩니다. 최대 토크와 그에 따른 EMG 반응은 처리된 토크 및 EMG 신호를 사용하여 오프라인으로 평가합니다.

또한, 중추 활성비(central activation ratio, CAR)를 사용하여 수의적 활성화의 결손을 평가합니다. 보행 능력을 평가하기 위해 단계별 트레드밀 테스트를 실시합니다. 피험자는 안전 하네스를 통해 트레드밀에 고정되며, 단계별 트레드밀 테스트를 수행하기 위해 반사 마커, 표면 EMG, 심박수 측정기 및 휴대용 대사 시스템을 포함한 테스트 장비를 착용합니다.

초기 트레드밀 속도는 0.1 meters per second로 설정하며, 환자의 최대 속도에 도달할 때까지 2분마다 0.1 meters per second씩 증가시킵니다. 최대 트레드밀 속도는 보행 불안정성이 나타나기 전 최소 1분 동안 환자가 유지할 수 있었던 가장 높은 속도로 정의합니다. 트레드밀 보행 중 심혈관계 한계에 도달하거나 자발적으로 테스트를 종료하면, 모션 캡처 시스템과 EMG 시스템 및 휴대용 대사 시스템을 사용하여 오프라인으로 여러 측정 항목을 평가합니다.

모션 캡처 데이터는 정확성을 위해 수동으로 추적하며, 분석을 위해 최소 10회의 보행 주기가 포함된 에포크를 선택합니다. 보행 주기는 뒤꿈치 닿기(heel strike)부터 다음 뒤꿈치 닿기까지의 백분율로 정규화하며, 고관절 및 슬관절 각도 모두에 대해 3차 스플라인(cubic spline)을 사용하여 보간합니다. 각 피험자에 대해 보행 주기 동안의 최대 관절 각도와 각 변위량을 측정합니다.

단일 하지 협응도 측정 외에도, 주요 초점은 시상면에서의 고관절 및 슬관절 운동학적 협응에 있으며, 이는 고관절-슬관절 각도 플롯의 일관성을 분석하여 평가할 수 있습니다. 하지 간 협응의 일관성을 계산하기 위해 평균 일치 계수가 사용됩니다. 고관절-슬관절 각도 플롯은 벡터 방향의 코사인(co-sign)과 부호를 정의하는 데 사용됩니다.

각 프레임 간 간격에 대해 벡터 길이로 정규화된 고관절 및 슬관절 각도의 변화량입니다. 이러한 사인 및 코사인 값들은 각 해당 프레임 간격에 대해 모든 보행 주기 전체에서 평균을 냅니다. 이렇게 계산된 평균값들을 사용하여, 각 프레임 간 간격에 대한 평균 벡터 길이를 산출합니다.

모든 프레임 간 간격에 걸친 평균 벡터 길이의 산술 평균은 0에서 1 사이의 값이 되며, 이는 보행 주기 동안 고관절과 슬관절 쌍의 전반적인 분산도를 나타냅니다. 보행 중 근육 활성도를 평가하기 위해, EMG 신호의 근육 활성 패턴을 모션 캡처 데이터와 오프라인으로 동기화하고, 매끄럽게 처리된 EMG 신호를 보행 주기 백분율로 정규화하여 최소 10보 이상의 평균값을 구합니다. 보행 중 하지 근육의 표준 활성 및 비활성 시간은 건강한 대조군 데이터베이스를 사용하여 설정하며, 각 근육의 표준 활성 및 비활성 시간을 피험자로부터 수집한 EMG 신호 위에 겹쳐서 표시합니다.

EMG 신호는 표준 On 및 Off 시간 사이에서 적분됩니다. 경직 지수는 Off 값을 On 값으로 나누어 결정합니다. 단계별 트레드밀 테스트 중 최대 산소 섭취량은 휴대용 대사 데이터를 분석용 컴퓨터로 다운로드한 후 결정합니다.

트레드밀 테스트가 완료되면, 특히 각 2분 속도 구간별 VO₂ 데이터의 마지막 1분 평균값을 결정하고 각 속도에 따른 결과를 도표로 나타냅니다. 수의적 움직임은 일반적으로 일차 운동 피질의 신경 신호로부터 시작됩니다. 이러한 신호는 피질척수로를 통해 중추 패턴 생성기를 포함한 척수 중간 뉴런으로 전달되며, 척수 운동 뉴런 수준에서 수렴합니다.

운동 신경세포는 근육을 직접 지배하며 근육 수축을 유도합니다. 수의적 운동은 뇌줄기-척수 또는 구척수 경로의 병렬 경로를 또한 활성화할 수 있습니다. 이러한 구척수 경로의 기능 중 하나는 신경조절물질, 특히 세로토닌의 방출을 통해 척수 신경세포의 흥분성을 조절하는 것이며, 척수의 불완전 손상은 피질척수 경로의 단절로 인해 완전한 수의적 조절 능력을 상실하는 결과를 초래합니다.

또한, 연수-척수 경로(bulbo spinal pathways)로부터 신경조절물질이 부분적으로 소실됨에 따라 척수 회로와 운동 뉴런 자체가 덜 흥분하게 됩니다. 이러한 복합적인 변화는 이 비디오의 처음 세 부분에서 관찰된 운동 기능 결손의 원인이 됩니다. 동물 모델에서 세로토닌이나 그 유사체와 같은 신경조절물질을 척수에 직접 투여하면 이러한 척수 회로를 재활성화하여 운동 출력 증가, 반사 활동 증가 및 보행 능력 개선을 유도할 수 있습니다.

이 영상의 마지막 부분에서는 이러한 기초 과학적 프레임워크를 인체에 어떻게 적용하려 하는지 보여드리겠습니다. 이중 맹검, 무작위, 위약 대조 교차 설계 연구에서 운동성 불완전 척수 손상 환자를 대상으로 선택적 세로토닌 재흡수 억제제의 급성 경구 투여가 운동 활동에 미치는 영향을 평가하였습니다. 수정 Ashworth 척도, 경성 반사를 위한 척수 평가 도구 및 하지 운동 점수를 포함한 임상 측정 결과, 운동성 불완전 SCI 환자에게 SSRI를 경구 투여한 후 비자발적 반사 활동과 자발적 힘 생성 모두가 증가한 것으로 나타났습니다. 또한, 운동 활동의 정량적 정적 측정 결과, 족저굴곡근의 반복적인 신전 반응에 대해 발목 족저굴근 토크와 EMG가 증강 및 연장되었으며, 등척성 토크가 증가하고 더 높은 중앙 활성화 비율로 나타나는 활성화 결손의 감소가 확인되었습니다.

CC를 이용한 보행 중 고관절 및 슬관절 운동학의 정량적 동적 측정 결과, SSRI 약물 투여 후 일관성이 증가한 것으로 나타났습니다. 흥미롭게도, 보행 중 하지 EMG 활동에서는 SSRI 약물 투여 후 근육 활동의 부적절한 타이밍이 증가하는 양상을 보였습니다. 마지막으로, 보행 중 대사 파라미터 분석 결과, SSRI 투여 후 점증 부하 트레드밀 검사 동안 산소 소비량이 약간 증가한 것으로 나타났습니다.

이러한 변화는 만성 불완전 척수 손상(SCI) 환자들에게서 관찰되지만, 예비 데이터에 따르면 아급성 불완전 척수 손상에서의 변화가 더 두드러질 수 있음을 시사합니다. 예를 들어, 척수 손상 후 4개월이 지난 한 환자는 약물 투여 전에는 신체적 도움 없이는 보행이 불가능했습니다. SSRI 약물 투여 후, 동일한 환자가 보행할 수 있게 되었습니다. 이러한 임상적 및 정량적 평가를 통해 확인할 수 있습니다.

선택적 세로토닌 재흡수 억제제의 급성 투여가 불완전 척수 손상 환자의 운동 기능과 보행 능력을 개선할 수 있음을 확인했습니다. 하지만 이러한 변화를 영구적으로 유지하기 위해서는 장기적인 훈련이 필요합니다. 현재 저희 연구실의 목표는 이러한 약물학적 중재와 집중적인 신체적 중재를 결합하여 운동 기능과 보행 능력의 개선 효과를 영구적으로 만드는 것입니다.