코로나 환자 뇌는 거북처럼 동면 중 [사이언스카페]

인공호흡기 쓰는 중증 코로나 환자
코로나 치료해도 의식 회복은 느려
겨울잠 거북과 비슷한 뇌 상태
산소 부족 상태에서 신경 손상 막아

중증 코로나 환자는 치료 후 인공호흡기를 떼고도 의식을 회복하기까지 수주일이 걸린다. 웨일 코넬 의대 연구진은 중증 코로나 환자의 뇌가 산소 부족 상태에서 스스로 보호하기 위해 동면 상태에 빠지기 때문에 의식 회복이 느리다고 설명했다./미 미시건 의대

중증 코로나19 환자가 인공호흡기를 떼고도 의식을 회복하기까지 수주일씩 걸리는 것은 뇌가 겨울잠을 자는 거북과 같은 상태에 빠지기 때문으로 밝혀졌다. 이에 따라 동면(冬眠) 상태의 뇌를 깨우는 치료를 하면 중증 환자의 의식 회복이 더 빨라질 것으로 기대된다.

미국 웨일 코넬 의대의 니콜라스 쉬프 교수 연구진은 8일 국제 학술지 ‘미 국립과학원회보(PNAS)’에 “코로나 바이러스와 중증 환자에 쓰는 마취제가 상호작용을 일으켜 뇌 스스로 자기보호를 위해 동면 상태에 빠진다”고 밝혔다.

◇겨울잠 상태로 뇌 손상 방지

중증 코로나 환자는 바이러스 감염으로 폐에 체액이 가득 차 이전처럼 온몸에 산소를 보낼 수 없다. 이 경우 인공호흡기로 외부에서 산소를 공급해야 한다. 이때 환자를 진정시키기 위해 일반적으로 마취제를 쓴다.

의료진은 중증 코로나 환자가 회복되면 인공호흡기를 떼고 하루 이틀 사이에 의식을 회복할 것으로 생각했지만 실제로는 수주일에서 심지어 수개월까지 깨어나지 못하는 경우가 많았다.

지난 3월 쉬프 교수와 브라운 교수는 뉴욕과 보스턴의 병원 3곳에서 중증 코로나 환자 795명을 조사했더니 4분의 1이 인공호흡기를 떼고 의식을 회복하는 데 10일 이상 걸렸다고 발표했다. 10%는 23일 뒤에도 깨어나지 못했다. 그렇지만 뇌에는 별다른 손상이 없었다.

쉬프 교수와 매사추세츠 공과대(MIT)의 에머리 브라운 교수 공동 연구진은 중증 코로나 환자의 무의식 상태 뇌는 얼음 밑에서 겨울을 보내는 거북과 매우 흡사한 것을 확인했다. 거북은 혹독한 겨울에 살아남기 위해 신경세포를 몇 달씩 정지 상태로 유지한다. 연구진은 코로나 감염과 마취제가 사람에서도 같은 반응을 일으킨다고 설명했다.

호수에 사는 비단거북(painted turtle)은 겨울이면 얼어붙은 진흙 속에서 몇 달 동안 숨도 제대로 쉬지 못한다. 과학자들은 이때 거북의 몸에서는 신경신호를 억제하는 가바(GABA)라는 신호전달물질이 급증한다는 사실을 알아냈다. 가바는 신경세포 작동을 중단시켜 전기신호를 만드느라 에너지를 낭비하지 않도록 한다. 쉬프 교수는 “스스로 자신을 마취시키는 것과 같은 상태”라고 설명했다.

중증 코로나 환자는 가바와 유사한 기능을 가진 마취제를 투여받는다. 연구진은 가바와 같은 진정 효과에 코로나 감염으로 인해 산소 공급이 격감하는 스트레스가 겹치면서 환자의 신경세포도 생존을 위해 산소가 필요 없는 동면 상태로 빠진다고 설명했다. 실제로 겨울잠을 자는 거북은 독특한 뇌파 형태를 보이는데, 중증 코로나 환자 역시 비슷한 뇌파가 나타났다고 연구진은 밝혔다.

호수나 연못에 사는 비단거북은 겨울이 되면 얼어붙은 진흙 속에서 겨울잠을 잔다. 이때 뇌 기능을 정지시켜 산소부족 상태에도 신경세포가 손상되지 않도록 한다. 인공호흡기를 쓴 중중 코로나 환자의 뇌도 같은 상태로 밝혀졌다./미 어류야생동물보호국

◇코로나 환자 의식 회복에 도움 기대

쉬프 교수 연구진은 자신들의 가설이 맞는다면 두 단계로 중증 코로나 환자의 의식을 빨리 회복시킬 수 있다고 밝혔다. 먼저 신경세포가 에너지를 만드는 물질인 ATP를 더 많이 생산하도록 특정 단백질을 투여한다. 이러면 뇌세포가 활동 상태로 돌아올 때 필요한 에너지를 만들 수 있다.

두 번째는 신경세포에서 글루타민산과 아세틸콜린 같은 신호전달물질을 촉진하는 약물을 투여한다. 이런 약물은 신경 억제물질인 가바와 정반대 역할을 한다. 반대로 사고나 병에 걸린 환자의 뇌가 손상되기 전에 중증 코로나 환자나 거북처럼 동면 상태로 유도할 수도 있다.

몇 달 동안 동면을 하던 거북은 일순간 뇌로 산소가 밀려들면 바로 깨어난다. 갑자기 산소 공급을 늘리면 독성 화학작용으로 신경세포가 죽을 수 있다는 점에서 이해하기 어려운 일이다.

과학자들은 동면에서 깨어나는 거북은 뉴로글로빈이라는 물질로 필요 이상의 산소를 흡수하는 것을 알아냈다. 쉬프 교수 연구진은 중증 코로나 환자가 의식을 회복할 때 뇌척수액을 채취해 분석해보면 거북처럼 산소에 신경세포가 손상되는 것을 막는 물질이 나올 것이라고 기대했다.

참고자료

PNAS, DOI: http://doi.org/10.1073/pnas.2120221119

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