1979년 소니 워크맨이 등장하면서 음악 감상의 공간적 제약이 사라졌다. 필자의 10대 시절 워크맨으로 음악을 들으며 걸어가는 모습은 젊은이들의 낭만이었다. 그러나 휴대용 카세트 플레이어가 대중화되면서 신문 건강면에 청력 손상을 우려하는 기사가 빈번하게 실렸다.
2007년 애플이 아이폰을 내놓으면서 손 안의 컴퓨터로 언제 어디서나 인터넷과 접속할 수 있는 시대가 열렸다. 우리나라에서는 2009년 출시된 지 불과 10년이 지났지만 이제 스마트폰 없는 일상은 상상도 할 수 없다. 그런데 이번에는 신문에 시력 손상을 걱정하는 기사가 단골이 됐다. 하나를 얻으면 하나를 잃는 것 같다.
청각과 시각 모두 중요하지만 아무래도 시력을 잃는 것이 더 두렵다. 몸이 1000냥이면 눈이 900냥이라는 말도 있다. 그래서인지 3대 실명질환이라는 녹내장, 황반변성, 당뇨망막병증에 관심이 많다. 그런데 사실 의료 인프라가 부족한 가난한 나라에서 이 세 가지를 합친 것뿐인 실명 질환은 백내장이다. 오늘날 지구촌에서 실명인 사람은 3900만 명으로 추정되는데 이 중 절반이 백내장 때문이다.
도대체 실명질환은 왜 생기는 것일까. 최근 백내장 원인을 밝힌 논문이 나온 것을 계기로 백내장과 녹내장에 대해 알아보자.
같은 장면을 백내장인 사람의 시야에서 보았을 때(오른쪽). 카메라 렌즈에 비유하면 렌즈가 탁해 보인다. 미국 국립 보건원의 제공
베타-병풍구조 확인
백내장은 수정체가 흐릿해지고 빛이 망막까지 제대로 닿지 않아 실명에 이르는 질환이다. 카메라에 비유하면 렌즈가 탁해진 것이다(영어로 수정체가 lens다). 수정체는 홍채(조리개에 해당)를 지지할 뿐만 아니라 부드럽게 주위 근육(형체근)의 작용으로 곡률이 바뀌어 초점거리를 맞추는 역할을 한다. 렌즈를 2개 이상 사용해 거리를 바꿔 초점을 맞추는 줌 렌즈보다 공학적으로 한 수 위다.
수정체에 생기는 문제는 크게 두 가지다. 하나는 렌즈가 점점 딱딱해져 복원력이 떨어지는 현상(마치 고무줄이 늘어나는 것처럼)으로 바로 노안이다. 이 문제는 돋보기를 사용하여 수정체로 들어오는 빛의 경로를 조정하여 해결할 수 있다.
다음으로 수정체가 탁하여 빛이 투과되지 못하고 산란하는 백내장이 있다. 수정체는 섬유세포가 양파처럼 겹겹이 쌓여 있는 볼록렌즈다. 섬유세포 내부에는 세포핵과 같은 소기관이 퇴화하지 않고 크리스털린(crystallin)이라는 수용성 단백질이 많이 들어 있어 빛이 투과된다.
그런데 자외선이나 산화스트레스, 당화반응 등 여러 요인으로 크리스털린 단백질에 변성이 생기고 서로 굳어져 침전되면 빛이 부딪혀 산란한다. 명태찌개를 먹었다면 명태 머리의 눈알에서 흰 구슬 같은 것을 본 적이 있겠지만 조리 과정에서 열로 크리스털린 단백질이 완전히 변성돼 백탁해진 수정체다. 하지만 단백질이 어떻게 변성해 덩어리를 만드는지에 대해서는 논란이 분분하다.
국제학술지 미국 국립과학원회보 4월 2일자에는 백내장인 수정체 단백질에서 아밀로이드 베타-병풍 구조를 확인했다는 연구결과가 실렸다. 마틴 잔니 미국 위스콘신대 화학과 교수팀은 숨진 청소년 3명과 성인 7명의 수정체를 기증받았다. 청소년 3명과 성인 4명의 눈은 건강한 상태였고 나머지 성인 3명의 눈은 백내장이었다.
연구자들은 2차원 적외선 분광기로 단백질 구조를 분석했고, 그 결과 건강한 성인과 백내장 성인에게 아밀로이드 베타-병풍 구조인 단백질이 존재한다는 사실을 발견했다. 반면 건강한 청소년에게는 존재하지 않았다.
수정체에 존재하는 크리스털린 단백질이 자외선 등의 작용으로 변성이 일어나 아밀로이드 베타-병풍 구조(아래 나열된 화살표로 묘사)가 생겨 서로 뭉쳐 덩어리가 된다는 사실이 밝혀졌다. 그 결과 빛을 산란시켜 백내장이 된다. 단백질 3개(빨강, 초록, 파랑)가 베타-병풍 구조를 통해 굳어진 상태를 도식화한 그림이다. 미 국립과학원 회보 제공
아밀로이드 베타-병풍 구조(amyloidβ-sheetstructure)는 알츠하이머병을 일으키는 베타 아밀로이드 단백질이 변성할 때 나타나는 바로 그 구조다. 아밀로이드는 특정 단백질의 이름이 아니라 이런 구조를 갖고 서로 뭉쳐 섬유처럼 되는 단백질 덩어리를 일컫는 말이다. 뉴런에서 베타아밀로이드 단백질이 굳으면 알츠하이머병에 걸리고 알파-신뉴클레인 단백질이 쌓이면 파킨슨병이 생긴다.
현재 아밀로이드 질환 목록이 계속 늘고 있는데 이번에 백내장도 이름을 올린 셈이다. 정상 성인 수정체에도 아밀로이드가 존재한다는 발견도 아밀로이드 질환의 전형적인 패턴이다. 알츠하이머병이나 파킨슨병도 아밀로이드 침착이 생기기 시작한 지 한참 뒤 증상이 나타난다.
노화가 진행되면서 아밀로이드 침착이 생기기 마련인데 그 속도가 빠르고 양이 많아진 사람은 발병하는 것이다. 이번 연구에서도 백내장인 사람의 수정체 단백질에서 아밀로이드 구조 비율이 평균 6.4%였다. 반면 건강한 성인은 훨씬 낮고 편차도 컸다. 반면 자외선을 쬐면 수정체 단백질에서 아밀로이드 비율이 커져 자외선이 백내장의 가장 큰 위험요인이라는 사실을 뒷받침했다. 연구자들은 이번 발견이 백내장 치료제 설계에 도움이 될 것으로 기대했다.
굳어진 단백질을 녹일 수 있다.
왼쪽은 눈 구조로 수정체(lens)를 확대해 보면 섬유세포가 양파처럼 쌓여 있다. 우측 상단은 백내장(cataract) 상태로 세포 안에 적층판 소체(MLB)와 단백질 덩어리(proteinaggregate)가 있어 빛을 산란시킨다. 오른쪽 아래는 스테롤이 열충격 단백질 cryAA와 cryAB를 자극해 덩어리를 녹여 수정체의 투명도를 회복시키는 메커니즘을 보여준다. 사이언스/P.Huey 제공
흥미롭게도 2015년 백내장 증상을 개선하는 물질을 발견했다는 논문이 2편 발표됐다. 스테롤(sterol)계 분자가 수정체에 침착한 단백질 덩어리를 녹일 수 있다는 것이다. 정확한 메커니즘은 밝혀지지 않았지만 스테로이드가 수정체 세포에 있는 샤프롱 단백질을 활성화시켜 단백질 덩어리를 녹이는 것으로 보인다.
샤퍼론(chaperone)은 다른 단백질이 올바르게 부러지도록 돕거나 부러졌을 때 바로잡는 단백질이다. 수정체에 있는 크리스털린 단백질은 여러 종류가 있는데, 이 중 알파-크리스탈린 두 종류(cryAA와 crtAB)가 샤프론 단백질에서 전체의 40%나 차지한다. cryAA와 cryAB가 다른 크리스털린 단백질의 품질 관리를 하고 스테롤 분자가 이 활동을 촉진한다는 얘기다.
학술지 네이처에 실린 논문에 따르면 라노스티롤(lanosterol)을 포함한 안약을 백내장이 진행 중인 개의 눈에 넣자 증상이 상당히 개선됐다. 라노스티롤은 우리 몸에서 만드는 분자로 바로 사용해도 문제가 없을 것 같지만 아직 의약품으로 나오지 않은 것 같다. 백내장 진행을 10년 늦추는 것만으로 수술 건수를 절반 수준으로 낮출 수 있다고 한다.
박테리아 단백질을 인식하는 T세포가 자가면역을 일으켜
백내장이 진행 중인 개의 눈(왼쪽)에 란노스티롤을 함유한 안약을 넣자 투명도가 상당히 좋아졌다(오른쪽). 네이처 제공
그럼에도 백내장은 플라스틱 수정체로 바꾸는 수술을 하면 실명을 면할 수 있지만 망막에 문제가 생긴 3가지 질환은 아직 현대의학도 어쩔 수 없고 말 그대로 실명 질환이다. 망막은 광수용체세포(카메라의 CCD에 해당)와 신경절세포(CCD와 SSD 메모리를 연결하는 칩에 해당), 모세혈관으로 구성된다. 광수용체 세포에 영양을 공급하는 망막색소 상피세포에 문제가 생기면 황반변성, 신경절세포가 파괴되면 녹내장, 모세혈관이 깨지면 당뇨망막병증이 생긴다.
신경절세포(시신경)가 파괴되고 광수용체 세포가 받은 빛(광자) 자극(정보)이 뇌로 전달되지 않아 실명하는 것이 녹내장이다. 알츠하이머병이나 파킨슨병과 마찬가지로 신경퇴행성 질환이다.눈 속 방수가 제대로 배출되지 않아 안압이 올라가는 것이 녹내장의 원인이라는데 과연 그럴까. 서울대병원 의학정보를 보면 안압 상승으로 시신경이 눌려 손상된다는 것과 시신경 혈류에 장애가 생겨 시신경 손상이 진행된다는 두 가지 메커니즘으로 설명하고 있다면서 그러나 아직 병을 일으키는 정확한 원인은 밝혀지지 않았다고 나와 있다.
실제 안압을 정상적으로 낮추는 치료를 해도 녹내장이 계속 진행되는 경우가 많다고 한다. 안압 상승 자체가 신경절세포를 파괴하는 것이 아니라 그런 길로 가는 문을 여는 과정일 수 있다.
지난해 8월 학술지 네이처커뮤니케이션즈에는 이 가설을 입증한 중국 중난대 등 다국적 공동연구팀의 논문이 실렸다. 이에 따르면 안압 상승이 면역세포인 T세포를 망막으로 끌어들이면서 T세포가 신경절세포를 파괴하는 것으로 나타났다. 녹내장은 자가면역질환이라는 것이다. 그렇다면 면역계가 왜 자신의 조직(시신경)을 망치는 엉뚱한 짓을 하는 것일까.
원래 망막은 혈액망막 장벽(blood-retinal barrier)이 있어 면역세포가 잘 들어오지 않는다. 그런데 안압이 올라가면 장벽에 틈이 생겨 출입이 쉬워진다. 한편 안압 상승은 신경절 세포에서 열충격 단백질(사람은 HSP27과 HSP60)의 발현을 유도한다. 앞에서도 나왔듯이 열충격 단백질은 열뿐만 아니라 자외선 산화 변형력(압력) 등 각종 스트레스로 불안정해지는 단백질을 보호하는 역할을 한다.
그런데 문제는 열충격 단백질이 진화적으로 매우 오래됐다는 사실이다. 박테리아와 식물, 동물 등 모든 생명체에 열충격 단백질이 있고 오래전에 깨졌음에도 구조가 비슷하다. 박테리아의 열충격 단백질을 항원으로 인식하는 면역세포가 망막에 들어오면 신경절세포 표면의 열충격 단백질을 보고 착각해 공격을 개시한다는 얘기다.
연구자들은 두 가지 실험을 통해 이 가설을 뒷받침했다. 먼저 몸에 장내 미생물을 비롯해 박테리아가 전혀 없는 무균 쥐를 대상으로 안압 상승을 유도했을 때 녹내장 발생 여부를 관찰했다.
대조군인 보통 쥐는 전형적인 비율로 발생한 반면 무균 쥐는 정말 거의 발생하지 않았다. 장내 미생물이 없는 사람은 없기 때문에 누구나 녹내장이 발생할 수 있다.
다음으로 녹내장 환자 망막 검사 결과 각각 HSP27과 HSP60을 인식하는 T세포 수치가 또래 건강한 망막에 비해 5배가 넘었고 HSP27과 HSP60에 대한 항체(IgG) 수치도 2배였다. 연구자들은 이번 발견이 새로운 녹내장 치료법 개발에 영감을 줄 것으로 기대했다.
비타민 B3를 섭취하면 예방에 도움이 될 것으로 생각된다
안압 상승으로 신경절세포(시경)가 손상되면 광수용세포가 받은 빛 정보를 뇌에 전달하지 못해 실명한다. 세포 내 미토콘드리아가 불량해져 시신경이 손상되는데, 지난해 발표된 논문에 따르면 면역세포가 염증을 일으켰을 때 생긴 활성산소(ROS)를 처리하기 위해 NAD+가 고갈된 결과일 수 있다(위). NAD+의 전구체인 비타민 B3를 섭취하거나 유전자 치료로 생합성 유전자를 넣으면 세포 내 NAD+ 농도가 올라가 미토콘드리아가 활성을 되찾고 신경절세포도 회복되며 동시에 안압도 떨어지는 사이언스/G.GRULLON 제공
2017년 학술지 ‘사이언스’에는 녹내장에 대한 다소 희망적인 연구 결과가 실렸다. 비타민 B3를 꾸준히 섭취하면 녹내장을 예방하거나 적어도 진행을 늦출 수 있다는 내용이다.
잭슨연구소를 비롯한 미국 공동연구팀은 녹내장이 일어날 때 신경절세포를 자세히 살펴 미토콘드리아 내막이 불충분하다는 사실을 발견했다. 미토콘드리아는 세포호흡을 하는, 에너지 분자인 ATP를 만드는 세포소기관이다.
이들은 신경절세포 미토콘드리아에 NAD+라는 물질이 부족한 것이 원인이라고 보고 그 전구체인 비타민B3(니코틴아마이드)를 투여하거나 유전자 치료로 NAD+를 만드는 데 관여하는 효소인 Nmant1 유전자를 넣었다. 그 결과 늙은 쥐에게서 녹내장 발생률이 낮아졌고 동시에 안압도 낮아졌다. 유전자 치료는 시기상조이므로 비타민 B3를 꾸준히 복용하는 것이 현실적인 녹내장 예방책이라는 것이다.
최근 몇 년 사이 백내장과 망막 3대 질환 환자 수가 크게 늘었다. 이들 질환의 가장 큰 원인이 노화이기 때문에 고령화가 빠르게 진행되고 있는 우리 사회에서 당연한 현상일 수 있지만 이를 감안하더라도 증가세가 워낙 가팔라 발생 연령대가 점점 낮아지는 것으로 알려졌다. 스마트폰에 혐의를 두는 배경이다.
원래 사람의 눈은 가까운 대상을 오랫동안 보도록 진화하지 않았다. 그리고 반사되는 빛으로 보고 광원을 직접 바라보는 경우는 거의 없다. 그러니 매일 눈앞의 스마트폰을 몇 시간씩 물끄러미 바라봐야 하는 노동에 눈이 조로해지는 것은 당연한 결과가 아닐까.
지난 3일 한국은 ‘세계 최초’로 5G 서비스를 상용화했다. 아직 미흡하지만 2, 3년 지나면 스마트폰 지배력이 한층 강화될 것이다. 주 52시간 근무제도가 시행되는 상황에서 눈은 갈수록 노동강도가 세지고 있으니 참 딱한 일이다.
※ 필자 소개 강석기 과학칼럼니스트([email protected]). LG생활건강연구소에서 연구원으로 일하다 2000년부터 2012년까지 동아사이언스에서 기자로 일했다. 2012년 9월부터 프리랜서 작가로 활동하고 있다. 직접 쓴 책으로 『강석기 과학 카페』(1~7권), 『생명과학의 기원을 찾아서』가 있다. 역서에는 『반물질』『가슴이야기』『프루프:술의 과학』을 썼다