아래에 플라즈마 의학이라는 새로운 지평을 연 21세기 과학을 구체적으로 해설하고 있습니다. 국내에서는 플라즈마가 정확히 무엇인지 모르는 사람들과 중소기업들이, 자사 생산제품에 대한 상대적 우위를 표현하고자, 플라즈마가 인체에 해롭다는 식으로 왜곡 주장합니다. 저들 모두가 무지의 소치이므로 기만당하지 말고 무시해야 합니다!

​부디 끝까지 정독하시고, 왜곡된 정보에서 빠져나와 역발상을 시도하는 현명한 사람들이 많아지길 소원합니다. ​관심에 감사드립니다!

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■ 주제: 플라즈마 의학(Plasma Medicine)

Electrical and Computer Engineering Department, Old Dominion University, Norfolk, VA, United State

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연구 저자: 미국 버지니아 노포크 올드 도미니언 대학교 컴퓨터 전기공학과 교수 모우니 라로우시

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□ 의료 및 보건 분야의 새로운 개척자 상온 플라즈마!

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지난 20년간 상온 대기압 40℃ 이하의 온도에서 발생하는 상온 플라즈마는 생물 의학의 적용이라는 새로운 지평을 열었다.

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상온에서 플라즈마를 일으키면 반응성 종(RONS), 전하(e)를 띤 입자, 광자(p) 및 전기장(EF)과 같은 물질을 생성하는데 이것들이 생물학적으로 영향을 미친다.

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연구원들은 상온 플라즈마가 거시적, 미시적 규모의 생물체 세포에 영향을 미치는 물리적, 생화학적 메커니즘을 밝혀내느라 분주하다.

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이러한 메커니즘에 대한 보다 철저한 이해는 새로운 플라즈마 기반의 의학적 치료법의 개발로 이어질 것이 틀림없다.

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이번 리뷰에서는 독자들에게 흥미로운 새로운 연구 분야 하나를 소개하고자 한다.

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🍒소개

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플라즈마 의학은 상온 대기압 플라즈마를 이용하여 세포와 조직을 포함한 생물학적 표적에 운반되어, 화학적으로 반응하는 특정한 량의 반응성 종을 생성하는 것이다.

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이 플라즈마 적용에서의 주목할 만한 성과는, 최초 발견부터 기초적인 과학적 조사 단계까지, 그리고 최종적으로 실제 환자에 적용하는 데 걸리는 시간이 불과 25년 밖에 걸리지 않았다는 것이다.

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어떻게 이런 일이 비교적 단기간에 일어났을까?

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이 질문에 대한 간단한 대답은, 이 분야가 처음에는 그다지 대단하지도 않은 예상치 못한 방식으로 시작되었지만, 플라즈마 물리학 공동체가 플라즈마의 거대한 잠재력과 혁신의 약속을 실현하는데 그렇게 오랜 시간이 걸리지 않았다는 점이다.

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이것은 다양한 분야의 보건 의학 전문가들(생화학자 및 미생물학자 등)이 플라즈마 공동연구로 참여하여 진행 중인 연구를 더욱더 고도로 발전시켰다.

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현재 세포와 조직에 대한 플라즈마의 작용 기전이 완전히 이해되지는 않았지만, 과학적 지식은 꾸준히 성장해 왔으며, 플라즈마가 생물학적 세포에 미치는 영향에 대해 물리적 및 생화학적 경로에 대해 충분히 파악할 수 있도록 우리의 이해를 보다 더 넓게 확장시켰다.

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플라즈마 의학은 1990년대 중반에 상온 플라즈마(LTP)가 세균 살균 특성을 효과적으로 보여주는 원리를 이용하여 의학적인 실험 증거가 거의 없는 가운데 시작되었다[1–5].

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관찰된 생물학적 결과에서, 상온 플라즈마(LTP)에 의해 생성된 반응성 산소종(ROS) 및 반응성 질소종 (RNS)이 포함된 반응성 종(RONS)이 중추적인 역할을 수행한다는 것을 처음 인식하게 되었다[1,6].

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또한 상온 플라즈마(LTP)는 생물학적 조직을 소독하는데 사용할 수 있기 때문에 상처 치료에 사용될 수 있다는 것도 재빨리 인식하게 되었다.

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그 시기에 일부 예비적 실험 데이터에 의해 뒷받침된 초기의 대담한 아이디어들은 상온 플라즈마(LTP) 연구 커뮤니티 내에서 큰 반향을 불러일으켰다.

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그 당시(2005년 경)에는 새롭고 유망한 그러나 완전히 탐구되지 않은 플라즈마의 응용이 무엇을 의미하는지를 깨닫고, 과학자들이 떠오르는 플라즈마 연구 분야에 대거 합류했다.

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결과적으로 기술의 진보와 새로운 이정표는 상대적으로 '매우 가파른' 속도에 도달했고, 2000년대 초에 만성적 상처에 대한 임상시험이 어느 정도 성공적으로 수행되었다[7].

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게다가 소량의 상온 플라즈마(LTP)는 건강한 정상 세포를 해치지 않고, 선택적으로 암세포만 골라 죽이는 것으로 밝혀졌다.

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이것 때문에 '플라즈마 종양학'이라고 부르는 또 다른 연구의 길을 열어 주었다. 전 세계 연구소에서 수많은 연구원들은 다양한 암세포 살해에 대한 시험관 및 생체 내 연구 결과를 발표했다(검토[8] 자료 참조).

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세포 라인에는 백혈병, 유방암, 뇌종양, 전립선암, 대장암 등과 관련된 것들이 포함되었다[8].

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또한 최근에 독일에서는 두경부암 환자들을 위한 완화 치료법으로 제한된 예비적 임상실험에 상온 플라즈마가 적용되었다[9].

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위에서 설명한 다양한 노력들은, 결국 미식품의약국 (FDA)이 2019년에 미국 최초로 임상시험을 승인함으로써 최고조에 달했다.

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이것은 상온 플라즈마(LTP) 기반의 새로운 암 치료법을 개발하려는 노력의 또 다른 중요한 이정표이다.

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이 리뷰에서는 플라즈마 의학에 사용되는 상온 플라즈마(LTP)의 설명을 먼저 제공한 다음, 주요 의료학적 적용을 간략하게 설명하려고 한다.

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⚡상온 대기압 플라즈마 공급원 (내용이 길어 요약했음)

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2가지 유형의 플라즈마 방출이 생체 의학적 응용에 광범위하게 사용되고 있다.

​유전체 장벽 방전(DBD)과 비-평형 대기압 플라즈마 방전 제트(N-APPJ)이다.

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⚡유전체 장벽 방전(DBD)

고전압 방전 방식으로 대량의 비평형 대기압 확산 플라즈마 생성에 이상적이다.

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유전체 장벽 방전(DBD)에 의해 생성된 플라즈마는 오존(O₃) 생성, 물질 표면의 개질 등에 활용되고 있으며, 가장 최근의 적용 영역은 박테리아를 비활성화하기 위해 1990년대 중반에 성공적으로 적용된 이후로부터 생체 공학에 활용되고 있다[1].

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※ 참고: 유전체 장벽 방전(DBD)는 1857년도에 독일의 지멘스(Ernst Wernervon Siemens)에 의해 최초로 보고되었다.

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⚡비-평형 대기압 플라즈마 제트(N-APPJ)

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이전에 플라즈마는 재료의 표면 개질 처리에 적용하기[32, 33] 위해 개발되었지만, 플라즈마 의학 용도로 특별히 개발된 생물학적으로 온화한 플라즈마 제트는 2000년대 중반 이후부터 활용되어 왔다[34, 35].

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이 플라즈마 제트는 주변 공기에서 상온 플라즈마를 생성하여 펜촉 모양으로 방출할 수 있다.

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40℃ 이하로 온도를 유지할 수 있기 때문에 열적 손상이 없이 생물체 조직을 비롯한 부드러운 물질과 접촉시킬 수 있다.

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이러한 플라즈마의 근원은 생물학을 포함한 다양한 용도에 매우 유용하다는 것이 입증되었다[26, 34, 35].

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플라즈마는 고전압 전극으로부터 멀리 떨어진, 고전압이 없는 영역으로 전달되기 때문에 대상이 되는 세포나 조직에 전기적 충격과 손상을 일으키지 않는다.

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🚑 생물학 및 의학 분야에서의 상온 플라즈마의 응용

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생물학 및 의학적 용도로 상온 대기압 플라즈마를 이용한 신기원을 이룬 초기 실험이 1995년부터 2004년까지 약 10년 동안 진행되었다[1–6, 58–60].

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초기 실험에서는 표면과 액체 속에서 박테리아를 불활성화하고 [1, 58], 수술용 식염수 용액 속에 펄스 플라즈마를 생성하기 위해 유전체 장벽 방전 활용과 관련이 있었다[61, 62].

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상처 소독, 섬유아 세포의 증식 강화 그리고 세포 분리를 위해 상온 플라즈마를 활용하는 연구가 곧 뒤를 따랐다[25, 59, 60].

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결국 이러한 중대한 연구들은 상온 플라즈마 연구 과학계의 관심을 끌었고, 이 연구 분야는 2005년부터 오늘 현재까지 괄목할 한 성장을 기록했다.

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상처 치유, 치의학, 암 치료 등에 대한 적용은, 그 이후 전 세계 여러 연구소와 연구센터에서 추진되었으며, 이 주제에 대한 의학저널지에 발행 건수가 현저히 증가했고, 여러 권의 서적으로 출판되었다[63–66].

현대 사회는 몇 가지 심각한 건강관리 문제에 직면해 있기 때문에, 상온 플라즈마의 박테리아 불활성화 능력은 최근 더 많은 타당성을 얻게 되었다.

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그중에는, (1) 메티실린 약제 내성 포도상 구균(MRSA)과 클로스 트리디움 디피실레(C-diff: 슈퍼버그)와 같은 항생제 내성균은 병원 내 후천성 감염(HAI)의 주원인으로서, 면역체계가 손상된 중환자들에게 치명적일 수 있다.

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(2) 당뇨병성 족부궤양과 같은 만성적인 상처는 쉽게 치유되지 않거나, 전혀 치유되지 않는다. 이러한 문제 중의 하나는 박테리아 특질에 의한 높은 수준의 감염이다.

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전통적인 치료법들이 이러한 문제들을 만족스럽게 해결하지 못하기 때문에 새로운 기술에 기초한 새로운 접근 방식의 필요성이 요구되었다.

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상온 플라즈마는 항생제 내성균(MRSA)와 같은 박테리아를 효과적으로 불활성화시키고, 감염된 만성적 상처에서 바이오 버든(살균되지 않은 표면 위에 살 수 있는 박테리아의 수)을 크게 감소시키는 것으로 밝혀져, 위에서 열거한 난제를 극복에 활용할 수 있는 매우 매력적인 기술이 되었다.

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2010년에 상온 대기압 플라즈마를 이용한 만성적인 상처 치료에 대한 첫 번째 임상실험이 실시되었고, 매우 고무적인 결과가 발표되었다[7].

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오늘날 시판되고 있는 여러 가지 플라즈마 장치들이 의료기기로서 허가를 받았으며, 다양한 피부과 질환 치료를 포함한 의학 분야에 사용될 수 있다.

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상온 플라즈마(LTP)는 2가지의 각각 다른 방식으로 적용될 수 있다.

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첫 번째는 '직접적' 노출이다. 이러한 적용 모드에서는 플라즈마가 생물학적 표적과 직접 접촉하므로, 모든 플라즈마 생성 물질이 세포의 결함 부위에 작용한다.

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두 번째는 '간접적' 노출이다. 이 경우 플라즈마의 잔광만 사용하거나, 플라즈마가 액체인 매개체를 활성화하기 위해 먼저 사용된 다음, 플라즈마로 활성화된 액체를 세포나 조직 위에 도포하는 것이다.

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후자의 장점 중 하나는 플라즈마 활성액(Plasma Activated Liquid:PAL)을 저장하고, 나중에 사용할 수 있어 직접적인 노출이 제공하지 못하는 유연성을 제공한다는 점이다.

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🔥 직접 노출

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앞에서 언급한 바와 같이 직접적인 노출은 생물학적 대상물이 전하를 띤 입자, 광자, 전기장 및 반응성 종을 포함한 모든 플라즈마 작용제에 직접 노출되는 것이다.

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이러한 작용제는 생물학적 결과를 명확히 만들어 내기 위해 단독으로 활동하거나 또는 혼합 작용으로 시너지 효과를 발휘한다. 박테리아가 불활성화된 경우, 위의 모든 작용제가 역할을 하는 것으로 보고되었다.

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상온 플라즈마(LTP)에 직접 노출된 후, 식물성 세포와 포자의 용해가 보고되었지만, 그람 양성 박테리아는 용해되지 않은 채로 세포사멸이 보고되었다[67, 68].

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상온 플라즈마(LTP)에 의한 박테리아 불활성화는 열에 민감한 의료 기구 멸균부터 바이오-필름의 파괴, 상처 소독, 음료, 식품, 농산물의 오염제거에 이르기까지 그 용도가 다양하다.

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직접 노출은 또한 진핵세포의 기능에 영향을 미치거나, 치명적이지 않은 방법으로 사용되었고, 세포의 신호 경로[69]를 조절하여 암세포와 종양의 파괴를 위한 치명적인 수단으로 활용되었다[70–74].

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특정 조사선량에서 상온 플라즈마(LTP)가 암세포만 골라 선택적으로 죽일 수 있다는 것을 보여주는 다양한 암세포 라인을 이용한 임상실험이 보고되었다[70–74].

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조사관들은 상온 플라즈마(LTP) 노출이 세포 내 반응성 난소종 (ROS) 농도의 증가를 이끌어 낸다고 보고했다.

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암세포가 높은 산화 스트레스를 받기 때문에 반응성 산소종(ROS)의 증가는 심각한 산화 환원(Redox) 불균형으로 이어져 DNA의 손상, 미토콘드리아 기능장애, 카스파아제 활성화, 단백질 산화의 고도화 상태 등 하나 또는 그 이상의 원인을 유도할 수 있다.

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그러한 급성 산화 스트레스는 결국 암세포의 사멸을 이끌어 낸다.

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※ 참고: 카스파제[Caspase] 세포사멸(프로그램된 세포의 죽음, apoptosis), 괴사 및 염증에 필수적인 역할을 하는 단백질 분해 효소이다. 카스파아제는 성인 삶의 대부분의 단계와 발달에서 세포자살, 즉 프로그램 된 세포사멸사에 필수적이고, 세포에서 ‘사형집행’ 단백질이라고 할 수 있다.

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💧 간접 노출

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이 장에서 우리는 플라즈마 활성 액체(PAL)의 경우로 논의를 제한한다. 이러한 간접 노출 방식에서는 수용액 상태에서 확산될 수 있고, 용매화되어 수명이 긴 화학종 만이 그 역할을 수행하게 된다.

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이 활성액은 광자(p), 전기장(EF), 수명이 짧은 반응성 종, 열 등의 효과가 제거되었다.

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지금까지 사용된 액체는, 플라즈마 활성 수용액(Plasma Activated Water)를 만들기 위한 물과 플라즈마 활성화 매체(Plasma Activated Media)를 만들기 위한 생물 배양 매체를 포함하여 활용하고 있다.

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그다음 논의할 것은, 암세포를 파괴하기 위해 플라즈마 활성화 매체(PAM)을 사용하는 것에 그 초점을 맞추었다. 지난 수년 동안 조사관들은 암세포를 죽이고, 종양의 크기를 줄이기 위해 체외 및 체내에서 플라즈마 활성화 매체(PAM)을 활용하는 것에 대한 유망한 결과를 보고했다[75–81].

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플라즈마 활성화 매체(PAM)의 항암 특성은 상온 플라즈마(LTP)에 노출된 후, 액상의 단계에서 생성되는 수명이 긴 반응성 종에 기인한다.

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이들 반응성 종에는 과산화수소(H₂O₂), 아질산염, NO^-2, 질산염, NO^-3, 이산화질소, 퍼록시아질산(ONOO^-), 유기 라디칼 등도 포함되어 있다.

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아래 그림 2는 그 결과를 보여준다.

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위 그림 2에서 볼 수 있듯이, 플라즈마 활성화 매체(PAM)은 상온 플라즈마(LTP) 치료 시간을 길게 할수록 보다 더 크게 암세포 사멸을 불러일으켰다.

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노출시간을 3분 이상으로 제조된 플라즈마 활성화 매체(PAM)는 90% 이상의 암세포 감소를 유도한다. 그러나, 2분의 경우에는 암세포의 파괴를 추월하여 오히려 생존한 암세포가 초과하여 증식했고, 그 때문에 암세포에서 24시간 및 48시간 동안 생존력 증가가 관찰되었다.

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이것은 플라즈마 활성화 매체(PAM)에 의한 항암 효과에서 H₂O₂가 핵심적인 역할을 한다고 보여준 다양한 연구결과와 조사관들의 보고서가 일치했다.

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최근 Bauer(바우어)는 H₂O₂와 아질산염이 카탈라아제 불활성화를 유발하는 싱글렛 옥시젼(일중항산소: 1O₂)의 생성을 이끈다는 가설을 제안했다[82].

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보통 암세포막에 발현되는 카탈라아제는 세포 간 반응성 산소종과 질소종(ROS/RNS) 신호로부터 암세포들을 보호한다. 카탈라아제의 충분한 불활성화와 함께 아쿠아포린을 발생은 통해 H₂O₂ 세포 내 유입을 이끌어 낸다.

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※ 참고: 아쿠아포린[aquaporin]은 세포 내에 물의 출입을 조절하는 막단백질이며, 세포의 배관 시스템이다. 내재 단백질(major intrinsic protein) 에 속하며 세포막에 구멍을 형성한다.

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따라서 세포 보호 카탈라아제의 불활성화는, 악성 암세포의 사멸을 초래하는 반응성 산소종(ROS) 매개하는 신호를 유발한다.

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건강한 정상 세포는 표면에 카탈라아제 (항산화 물질)를 나타내지 않기 때문에, H₂O₂나 페록시니트라이트 (과질산염)와 같은 반응성 산소종(ROS)을 받아들인다.

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그러므로 만약 정상 세포가 매우 높은 반응성 산소종(ROS) 농도에 노출된다면 정상 세포 또한 손상될 수 있다.

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따라서, 암세포를 선택적으로 죽이기 위해서는 반응성 산소종과 질소종 (ROS/RNS)의 투여량이 일정 기준(임계 값) 이하가 되어야 한다.

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■ 결론

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생물 의학에 상온 대기압 플라즈마가 적용되면서 과학기술의 새로운 개척지가 생겼다.

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과학적 차원에서, 플라즈마에 의한 연질 물질과의 상호작용에 대한 새로운 기본 지식이 만들어졌다.

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1990년대 중반 이전만 해도, 플라즈마가 세포와 조직에 미치는 물리적, 생화학적 효과에 대한 기본적 과학적 이해는 그저 단순하다는 매너리즘에 빠져 있었다.

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그로부터 25년이 지난 오늘날, 광범위한 의학 분야에 정신 차릴 여지도 없이 과학적 조사를 마친 후, 우리의 지식은 크게 성장했고, 관련된 수많은 메커니즘들이 신체 세포와 세포 이하의 수준에서 설명되었다.

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이것을 통해, 다양한 의학적 도전을 극복하기 위해, 새로운 플라즈마 기반 치료법을 개발하는데 괄목할 만한 진전이 있었다.

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최근 미식품의약국(FDA)이 암 치료에 플라즈마를 이용한 임상실험을 승인한 것은 중대한 이정표인 동시에 상온 플라즈마가 유망하고 흥미로운 의학 기술로 받아들여질 수 있다는 신호다.

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이 분야의 리더가 제시하는 미래 방향에 대해 자세히 알고 싶으면 레퍼런스를 참고할 것[83, 84].

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덧붙여, 상온 플라즈마는 우주 의학에 있어 실행이 가능한 기술로서 분명한 장점을 가지고 있다.

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우주 공간에서 장기간의 우주여행이 현실화 됨에 따라, 우주 공간에서의 의료적 비상사태를 충족시키기 위해 적절한 수단과 방법을 확보하는 것은 매우 중요하다.

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이러한 맥락에서 플라즈마는 장기 보존이 어렵고 유통 시 부패하기 쉬운 기존의 약물을 대체할 수 있는 실용적인 '에너지 기반'과 '보존' 기술을 제공한다.

이 글의 저자는 이 내용의 유일한 기고자임을 확인하고 출판을 승인했다.

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● 이해 충돌: 저자는 잠재적 이해 상충으로 해석될 수 있는 상업적 또는 재정적 관계가 없는 상태에서 모든 연구가 진행되었다고 선언한다.

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