[헬스코리아뉴스 / 이창용] 종양에 교류 전기장을 가해 암세포의 분열을 방해하는 종양치료전기장(Tumor Treating Fields, TTFields)과 유사한 시험관 시스템에서 전극의 재질과 크기에 따라 유방암 세포의 생존과 세포자멸사 정도가 크게 달라진다는 연구 결과가 나왔다.

특히 전극 개수를 늘리는 것보다 전극의 표면적을 넓히는 것이 항암 효과를 높이는 데 더 큰 영향을 미쳤고, 금·은·스테인리스 가운데 은 전극에서 가장 강한 세포자멸사 반응이 나타났다.

이집트 알렉산드리아대학교 의학연구소 연구진은 전도성 금속 전극을 이용한 TTFields 유사 노출 시스템에서 전극 재질과 형태가 유방암 세포에 미치는 영향을 분석한 연구 결과를 국제학술지 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’에 13일 공개했다. 논문은 지난 2월 5일 접수돼 이달 3일 게재 승인을 받았다.

TTFields는 낮은 강도의 중간주파수 교류 전기장을 종양 부위에 지속적으로 전달해 암세포의 분열 과정 등을 방해하는 치료 방식이다. 이번 연구에서 사용한 장치는 임상에 사용하는 TTFields 장비와는 다르다.

연구진은 이를 구분하기 위해 논문에서 ‘TTFields-like’라는 표현을 사용했다. 임상 TTFields는 절연된 전극 배열을 체외에서 적용하지만, 이번 실험에서는 전도성 금속 전극이 세포 배양액에 직접 닿았다. 이에 따라 전기장 효과 외에 금속 이온 방출이나 전기화학적 반응이 세포에 영향을 미쳤을 가능성이 있다.

전극 개수보다 ‘크기’ 영향 커…은 전극 효과 가장 강해

연구진은 에스트로겐수용체(ER) 양성 사람 유방암 세포주 MCF-7을 대상으로 금, 은·염화은, 스테인리스 전극을 비교했다.

전극 표면적은 0.5㎠와 1㎠, 전극 개수는 2개와 4개로 나눴다. 세포에는 150kHz, 2V/cm의 교류 전기장을 15분 동안 한 차례 가한 뒤 48시간 후 생존율과 세포자멸사, 관련 유전자 발현, 항산화 능력, 금속 이온 축적량 등을 분석했다.

모든 전극 재질에서 전기장 노출 후 살아 있는 세포 비율은 감소하고 세포자멸사와 세포 사멸은 증가했다.

대조군의 생존세포 비율은 94.26%였다. 1㎠ 크기의 전극 4개를 사용했을 때 생존세포 비율은 은 전극에서 73.62%, 금 전극에서 80.10%, 스테인리스 전극에서 79.99%로 낮아졌다.

같은 조건에서 세포자멸사 비율은 대조군 1.08%에서 은 전극 19.97%, 금 전극 12.03%, 스테인리스 전극 9.32%로 증가했다.

특히 연구진은 모든 재질에서 전극 개수를 2개에서 4개로 늘리는 것보다 표면적을 0.5㎠에서 1㎠로 넓혔을 때 생존세포 감소 폭이 더 컸다고 보고했다.

은 전극, 세포자멸사 신호 가장 크게 높여

연구진은 세포자멸사와 관련된 유전자 변화도 살폈다.

세포자멸사를 촉진하는 BAX 발현은 증가하고 이를 억제하는 BCL-2 발현은 감소했다. 이러한 변화는 은 전극에서 가장 컸다.

1㎠ 크기의 은 전극 4개를 사용했을 때 BAX/BCL-2 비율은 30.68까지 상승했다. 같은 조건에서 금 전극은 10.86, 스테인리스 전극은 5.27이었다. BAX/BCL-2 비율이 높아진다는 것은 미토콘드리아를 통한 세포자멸사 신호가 강해졌음을 시사한다.

반면 세포주기 조절에 관여하는 cyclin A·B·E 유전자 발현에서는 유의한 변화가 관찰되지 않았다. 연구진은 이번 실험조건에서 나타난 생존세포 감소가 cyclin을 통한 세포주기 정지보다는 다른 기전, 특히 세포자멸사와 더 밀접하게 연관됐을 가능성이 있다고 설명했다.

항암 효과 강했던 은 전극, 산화스트레스는 상대적으로 적어

전도성 금속 전극을 배양액에 직접 넣으면 전극과 전해질의 접촉 과정에서 활성산소가 만들어져 산화스트레스를 유발할 수 있다. 연구진은 이를 확인하기 위해 세포의 총항산화능(Total Antioxidant Capacity, TAC)을 측정했다.

금과 스테인리스 전극에서는 모든 조건에서 TAC가 유의하게 감소했다. 1㎠ 전극 4개 조건에서 TAC는 대조군 97.35 U/mg에서 금 전극 74.00 U/mg, 스테인리스 전극 65.33 U/mg으로 낮아졌다.

은 전극에서는 같은 조건에서 84.33 U/mg이었다. 연구진은 은 전극이 가장 강한 세포자멸사 효과를 나타내면서도 금이나 스테인리스보다 항산화능 감소 폭은 상대적으로 작았다고 분석했다.

금속 이온 분석에서는 세 종류 전극 모두에서 세포 내 금속 이온이 증가했다. 은 전극에서는 은 이온 축적량이 다른 재질보다 많았지만, 흥미롭게도 전극 표면적과 개수를 늘릴수록 은 이온 축적량은 오히려 감소하면서 항암 효과는 강해졌다.

연구진은 이 결과가 단순한 금속 이온 독성만으로 세포 사멸을 설명하기 어렵다는 점을 시사한다고 봤다. 전기장 자체의 생물물리학적 효과와 전극-배양액 사이의 전기화학적 작용이 함께 영향을 미쳤을 가능성이 있다는 것이다.

임상 TTFields와 직접 연결은 아직 어려워

이번 연구는 전극 재질과 표면적이 전기장 기반 항암 실험에서 중요한 변수일 수 있다는 점을 보여줬다. 특히 은 전극과 넓은 표면적의 조합에서 가장 큰 세포 생존 감소와 세포자멸사가 나타났다.

그러나 결과를 현재 암 환자에게 사용하는 TTFields 치료에 그대로 적용하기는 어렵다.

우선 MCF-7이라는 한 종류의 유방암 세포주만 사용했다. 유방암은 분자 아형에 따라 생물학적 특성이 크게 다르기 때문에 다른 유방암 세포주에서 같은 결과가 재현되는지 확인해야 한다.

주파수 최적화도 이뤄지지 않았으며 동물실험 역시 하지 않았다. 연구진은 향후 다른 주파수와 전극 조건을 함께 최적화하고, 전기장 분포에 대한 계산 모델링과 동물실험을 통한 검증이 필요하다고 밝혔다.

또 이번 연구는 전도성 금속 전극만을 사용했다. 임상 TTFields처럼 절연된 전극과 직접 비교하지 않았기 때문에 전기장 자체의 효과와 전극에서 발생한 전기화학적 효과를 명확히 분리할 수 없다는 한계가 있다. BAX와 BCL-2 역시 메신저리보핵산(mRNA) 수준에서만 확인했으며 단백질 수준에서의 검증은 이뤄지지 않았다.

연구진은 전극의 재질과 크기, 개수가 전도성 전극을 사용하는 TTFields 유사 시스템의 생물학적 반응을 결정하는 중요한 요소라며, 향후 전기장 효과와 전극 자체의 전기화학적 영향을 구분하는 추가 연구가 필요하다고 밝혔다.