나노 수준의 연구가 질병 진단이나 목적 지향형 치료 부문에서 인간의 의학적 요구를 충족시켜 줄 수 있다는 기대감과 기술 개발 자금 지원, 학계 간 공동 혁신 연구 등은 나노의학을 발전시키는 성장동력으로 작용한다. 

한편 성장을 제한하는 인자로는 인체에 대한 독성, 환경 위해도, 불명확한 상업적·규제적 장벽 등을 들 수 있다. 기술적 도전 과제로는 나노물질의 장기간 안정성, 제조공정 표준화, Scalarblity, 다른 응용 제품으로의 활용도 등이 있다.

사업성 여부 문제는 다학문 간 합작, 대기업으로의 기술이전, 단축된 라이프 사이클 등의 시대적 요청에 의해 극복될 수 있고, 사업과 밀접한 관계가 있는 규제 문제는 규제의 명료성과 지속적인 안전성 검증을 바탕으로 해결될 수 있을 것이다.

나노 쿨링(Nano Cooling)은 미국 나노베이스(Nanobase)사가 출시한 제품으로 통증 치료에 혁신적인 효과를 가져올 것으로 기대되고 있다. 현재까지 쿨링 소재로 가장 많이 사용되고 있는 소재는 얼음이라고 할 수 있다. 그러나 얼음은 오랜 시간 피부와 직접 접촉해 사용하면 동상에 걸릴 위험도 있고, 녹는 과정에서 옷에 물이 스며드는 현상 때문에 사용에 많은 불편이 있었다. 또한 의학적으로 치료에 적합하지 못한 온도를 생산하기 때문에 치료용으로는 적합하지 않은 실정이다.

필요 온도를 자유롭게 조절하거나 생산할 수 있는 제품 역시 시장에는 전무한 상황이다 보니 적절한 온도를 오랜 시간 유지해 치료를 가속화하고, 작업 시 효율을 증대시키는 방안을 찾는 연구가 활발히 진행 중이다. 나노 쿨링은 이러한 요구에 부응하는 소재를 개발하고 응용 제품들을 생산·판매하는 중이다. 제품의 간략한 특장점은 다음 표와 같다.

먼저 적합한 온도가 치료에 얼마나 큰 영향을 미치는가를 알아보자. 한랭치료(Cryotherapy)는 흔히 얼음이나 냉습포 등을 이용해 치료적 목적으로 국소를 냉각시키는 것을 말한다. 한랭치료는 표재열 치료의 일종이지만, 일반적으로 같은 정도의 표재온열치료(Superficial Heat)에 비해서는 생리적 효과가 더 오래 지속된다. 한랭치료는 오래 전부터 경험에 의해 사용돼 왔으나 그 생리학적 연구는 1960년대에 주로 이루어졌다.

한국 사람들은 온돌 문화의 영향 때문인지 찬 것 보다는 뜨거운 것을 더 좋아하는 경향이 크며, 온돌치료는 많이 보급돼 있지만 한랭치료는 찾아보기 힘든 실정이다. 온열치료와 한랭치료 모두 장단점을 가지고 있기 때문에 어느 것이 좋다고 단정할 수는 없다. 한랭치료의 생체 물리적 효과, 생리적 효과, 사용 방법, 그리고 치료적 효과를 알고 환자 치료에 잘 활용할 수 있다면 국민 보건 향상에 기여할 수 있을 것으로 사료된다.

한랭의 생체 물리적 효과

얼음을 이용해 냉각시킬 때, 피부 온도는 초기에 급격하게 떨어지다가 그 후에는 서서히 떨어지면서 10분이 경과한 후에는 체온보다 약 12∼13℃ 정도 낮게 평형 온도에 도달하게 된다. 피하 온도는 더욱 서서히 떨어져 10분 경과 시에는 체온보다 약 3∼5℃ 정도 낮아지게 되며, 심부 근육의 온도는 훨씬 더 서서히 떨어지게 된다.

피하 지방층은 절연 역할을 하는데, 뚱뚱한 사람은 마른 사람에 비해 지방층이 두껍기 때문에 심부 근육의 온도는 훨씬 더 서서히 떨어지게 된다. 한랭치료 시 혈관이 수축된 지방층이 절연 역할을 하기 때문에 표피로부터 근육이 다시 데워지는 것이 지연되고, 혈관 수축 때문에 내부에서부터 재가온되기도 어렵다.

이것은 온열치료로 온도가 증가했을 때, 혈류가 증가해 근육의 온도가 급격히 떨어지는 것과는 그 기전에서 매우 다르다. 한랭치료 시 유발되는 혈관 수축은 혈류를 감소시키기 때문에, 냉각된 조직이 정상 온도로 회복되는 시간은 가온 및 충혈된 조직에 비해 더 오래 걸린다.

한랭의 생리적 효과

한랭치료는 혈류, 신체 대사 활동, 근육의 긴장도를 감소시키고, 경련성과 클로누스(Clonus)를 억제한다. 또한 위장관의 운동성을 증가시키고(Bisgard JD&Nye D. 1940), 신경 전도 속도를 느리게 하며, 진통 효과를 나타낸다.

그러나 이러한 생리적인 효과를 극대화시키기 위해서는 피부 회복 적정온도 10∼15℃를 목표로 한다. 그 이유는 치료 효과가 나타나도록 지속적으로 수축시키기 위한 최적 온도이기 때문이고, 그 온도에서 최대 무진통 효과가 발생하기 때문이다.

즉, 10~15 °C사이에서 신경전도가 완전히 없어지기 때문에 (신경전도가 없으므로 통증이 없어짐) 최대의 무진통은 10~15°C의 냉각온도로 냉각해서 유지시킴으로써 달성된다.

통증 관리를 위한 이상적인 치료 온도

인체 피부 신경감각기는 온도가 변화하는 비율에 따라 절대온도에 반응한다. 인체의 저온 민감 수용체는 36℃에서 전위발사를 시작해 약 25℃의 최대값에 이를 때까지 전위발사를 증가시킨다. 이 전위 발사빈도가 급격하게 떨어지면서 온도 저하가 말초신경 전도를 늦추는 결과가 나타난다.

1℃의 온도 감소는 2.4m/s의 말초신경 전도 속도 감소를 일으킨다. 그러므로 통증을 최소화하기 위해, 10∼15℃ 사이에서 최적화된 저온요법을 표준으로 할 필요가 있다. 얼리는 것보다 훨씬 높은 온도로 냉각시킴으로써 치료받는 세포조직에 해를 가할 위험 없이 지속적으로 사용될 수 있다. 그러므로 수술 후 첫 24시간에서 72시간에 이르는 치료에서 특히 중요하며, 이러한 형태의 치료는 0℃에 일회 사용이 10분에서 20분 이하로만 제한되는 얼음이나 젤(Gel) 타입으로는 불가능하다고 볼 수 있다.

염증과 부기를 다스리기 위한 이상적인 치료 온도

염증 시기에서 냉각요법의 주요 역할은 손상된 세포의 신진대사율을 낮추는 것이다. 만일 대사율을 감소시키지 않으면 염증성 효소의 활동은 온도가 오르면서 증가한다. 감소된 신진대사율은 손상이 심해지는 것을 억제하며, 손상 후 발생하는 세포 저산소증으로부터 세포가 생존할 수 있게 도와준다.

또한 너무 차가운 온도에서는 염증냉각을 어렵게 하는데, 상호 관련된 2가지 작용 메커니즘을 살펴 볼 수 있다. 이는 혈관 수축과 혈관 확장 사이의 순환 과정을 나타내는데, 염증을 다스리는 능력에서 최적보다 못 미치는 결과에 이르게 된다.

첫 번째 메커니즘은 냉동 아이스 팩을 사용하는 냉각요법에 관한 것이다. 최대 혈관 수축은 15℃에서 이루어진다. 피부 온도가 15℃ 이하로 떨어질 때 혈관 마비에서 기인하는 혈관 확장이 발생하는데, 혈관 확장은 혈관을 수축시키는 신경섬유의 근육 또는 신경 전도 덩어리를 부드럽게 만든다.

혈관 확장 반사작용은 방어기전으로, 세포조직의 손상을 최소화하기 위해서 저온에서 혈액의 흐름을 보존하려는 것이다. 이것은 한랭 혈관반응으로 알려져 있는데, 이 반사는 조직 손상을 최소화하기 위해 낮은 온도에서 혈류를 보존하는 방어 메커니즘이다. 1930년, 루이스에 의해 처음으로 기술된 반응으로, 세포조직의 온도가 2℃가 된 후 매번 8분에서 15분 동안 2∼6℃ 사이에서 순환하는 온도변환을 말한다.

기본적으로 신체 조직이 냉각될 때, 냉각된 부분의 신경세포는 처음에 인접한 혈관을 수축하게 만들어 혈류 흐름을 현저하게 감소시킨다. 그러나 냉각 부위의 온도가 계속해서 하강하는 경우, 신경 활동이 억압되면서 혈관은 다시 확장돼 맹렬한 흐름이 일어나며, 냉기가 가해짐에도 불구하고 세포조직을 따듯하게 만든다.

혈류의 유입으로 인해 신경이 따뜻해지면 그 신경은 다시 혈관을 수축시켜 새로운 냉각과 온도 상승의 순환을 개시한다. 이렇게 순환하는 동안 피부가 너무 낮은 온도로 냉각되면, 혈액은 수축되지 않기 때문에 인접 세포조직으로 많은 양의 혈액과 혈장이 누설돼 치료 효과를 억제시킨다.

얼음을 장시간 사용하는 경우, 근처의 림프관은 급격히 혈장의 투과성을 증가시키기 시작한다. 림프관들은 끝이 막힌 관으로, 대개는 여분의 세포조직 유동액이 심장혈관 계통으로 되돌아가도록 돕는다. 이런 림프의 침투성이 증가하면 대량의 체액이 림프관에서 잘못된 방향으로(손상된 부분으로) 쏟아지기 시작해, 많은 부분이 국소적인 부기와 압력 그리고 더 큰 통증을 증가시키는 데 기여한다. 만일 냉각이 너무 오래 지속되면 림프관들은 거의 없어지며, 주변의 세포조직에게 모든 체액을 잃어버려 손상 부위로부터 과잉되는 액체를 나르지 못하게 된다.

통증, 부기, 염증 그리고 출혈을 관리하기 위한 이상적인 치료 냉각 범위는 10∼15℃ 사이의 온도라 할 수 있으며, 최적의 냉각요법 양식을 위한 이상적인 목표 온도는 15℃이다. 15℃ 최적의 냉각요법은 지속적인 냉각이 가능하기 때문에, 치료 효과는 피부조직에 손상을 주는 어떠한 위험 없이 치료 과정 전반에 걸쳐 적용될 수 있다.

최근의 연구는 구체적으로 얼굴 영역에서 15℃ 냉각요법으로 환자의 결과를 향상시킬 수 있음을 입증했다. 양악교정 수술 후 18일이 경과한 후 조사된 연구에서, 두 개의 상이한 온도를 비교했다. 시험 방법은 무작위로 두 개의 테스트 그룹을 비교했으며, 한 그룹은 나노 쿨링을 사용하고 또 다른 그룹은 종래 착빙 요법을 사용했다. 실험 결과는 다음과 같다.

박종천 객원전문기자 레이딕스텍 부사장

정리 : 김혜숙 기자 (atided@hellot.mediaon.co.kr)