서     론

   만연골은 관절에서 기능적으로 중요할 뿐만 아니라 귀, 코, 후두와 기관 등 두경부 형성에서 미용과 기능적으로 매우 중요한 역할을 담당하고 있다. 또한 연골은 안면 성형 또는 재건 수술에 매우 중요한 자가 이식 또는 동종 이식물로 사용된다. 최근 이비인후과 영역에서 안면 성형 재건 영역의 지식과 경험이 축적됨으로써 연골에 대한 임상 및 기초 연구에 대한 관심이 증가하고 있으나, 레이저 연골 성형술(laser cartilage reshaping, LCR)은 아직 국내에는 잘 알려져 있지 않다. 본 술기는 추후 이비인후과와 안면 성형 영역에서 많은 응용이 가능한 잠재성을 가지고 있다고 생각이 되어 본 지를 통해 소개하고자 한다. 

정의 및 기전

   'Laser Cartilage Reshaping(LCR)'은 아직 한글 용어가 정립되어 있지 않으나 '레이저 연골 성형술' 정도로 명명할 수 있을 것이다. 이 술기는 '연골을 변형시킨 후 레이저를 조사하여 연골의 변형을 지속적으로 유지시키는 방법'으로써(Fig. 1), 1993년에 러시아의 Helidonis 등에 의해 처음으로 개념이 정립되었으며¹⁾ 이후 같은 팀의 Sobol 등에 의해 지속적으로 기초연구와 임상 분야에 대한 논문이 발표되고 있으며, 프랑스와 미국의 일부 레이저 센터에서 국한되어 기초와 임상 연구가 이루어지고 있다. 
   이 술기의 개념과 기전을 이해함에 있어, 이비인후과 의사들의 경우 가장 흔히 접하는 비중격 만곡증 수술시 연골 만곡의 교정을 위해 연골 변형을 유도하는 술기에 익숙한 경험이 오히려 장애가 될 수 있다. 비중격 성형술시 연골의 오목면에 절개를 가하여 변형을 유도하는 방법이, 연골 양측 면에 내제하는 장력(intrinsic tension)에 의해 형성된 연골의 interlocking stress system을 변화시켜 '수동적 변형'을 유도하는 것이라면, 이 방법은 외부의 힘을 가해 연골을 원하는 모양으로 변형시킨 후 레이저를 조사하여 변형된 모양이 지속적으로 유지되도록 '능동적 변형'을 유도하는데 목적이 있다. 
   이런 기전을 이해하기 위해 연골 조직의 구성과 interlocking stress system에 대해 알아둘 필요가 있다. 연골은 유리연골, 탄력연골, 섬유연골 등 인체 부위에 따라 그 유형이 다르고 이에 따라 구성 물질에 조금의 차이는 있으나, 기본적으로 연골세포(chondrocyte)와 바탕질(matrix)로 이루어진 유사한 구조를 가진다. 레이저와 반응하여 연골 변형의 기전이 발생하는 것으로 알려진 바탕질은 연골세포에 의해 분비되어 형성되는데 콜라겐과 프로테오글라이칸(proteoglycan), 당단백질(glycoprotein) 그리고 세포외액으로 형성된다.²⁾ 연골 바탕질에는 당단백질 분자들(chondroitin 4-sulfate, chondroitin 6-sulfate, heparin sulfate)과 이온결합을 하는 단백질 코어(core)로 구성된 큰 프로테오글라이칸 응집체들이 풍부하게 존재하며, 이 응집체는 하이알유론산(hyaluronic acid)과 결합 단백질(link protein)을 통해 비공유 결합으로 거대한 응집체 합성물을 형성한다(Fig. 2). 이 거대 프로테오글라이칸의 구성 요소인 콘드로이틴 설페이트 연쇄(chondroitin sulfate chain)는 많은 수의 음이온 그룹을 보유하고 있는데, 이 음이온 그룹으로 인해 전기적 반발력이 내부 스트레스(internal stress)를 증가시켜 연골의 형태를 유지하며, Na⁺ 이온과 같은 양이온을 잡아당기게 되고 다시 수분을 당기게 되어 연골은 60~80%의 수분을 함유하게 되고 이로써 외부 압력(compression)에 저항하는 연골성질을 갖게 된다.²⁾
   또한 프로테오글라이칸은 콜라겐 섬유의 공간을 채우고 있을 뿐 아니라 glycosaminoglycan side chain과 콜라겐 사이의 정전기적 결합(electrostatic bonds)으로 cross linked molecular framework을 형성하여 외부의 장력(tensile force)에 저항하는 성질을 갖는다. 이런 연골 내부의 장력 균형은 연골 모양을 유지하는 interlocking stress system을 형성하며 이 균형이 깨어지면 연골의 변형이 발생한다. 즉, 한쪽 면에 절개를 가하면 절개 면의 장력이 약해지면서 상대적으로 장력이 강해지는 반대 쪽으로 휘는 변형을 유도하는 것이 기존 비중격 수술의 원리가 된다.³⁾
   한편 이런 연골의 형태는 외부에서 압력을 가하면 연골 속의 수분 중 비교적 이동이 자유로운 부분은 기계적 스트레스(mechanical stress)와 화학적 전위차에 의해 조직 내에서 이동이 가능하다. 연골에 압력을 가하면 오목면에서 수분이 음이온으로부터 멀어지며 음전기 사이의 분리(separation)가 감소되어 압박에 저항하는 반발력이 생기고, 볼록면에는 신장력이 증가된다. 레이저 연골 성형술의 기전은 이때 원래 모양으로 돌아가기 위해 발생하는 스트레스를 레이저를 이용하여 이완을 유도함으로써 연골 변형을 지속적으로 유지시키는 것으로 이것을 '스트레스 이완(stress relaxation)'이라고 명명하고 있다.⁴⁾
   레이저 조사로 생기는 스트레스 이완은 연골을 제거(ablation)하지 않고 약 70℃의 온도에서 물과 프로테오글라이칸 분자와의 결합에 영향을 주어 물리적, 화학적 변화를 유도하는 것으로, 현재까지 추정되는 기전은 다음과 같다.⁴⁾ 
   첫째, 연골의 콜라겐과 프로테오글라이칸의 미세구조의 변화없이, 프로테오글라이칸의 음전하 군이 나트륨이온(Na⁺) 그리고 칼슘이온(Ca⁺⁺)과 결합하여 발생하는 조직의 국소적 광화작용(local mineralization)이다(Fig. 3A). 둘째, 연골 바탕질의 변성 없이, 프로테오글라이칸 응집체의 국소적 해중합반응(depolymerization)이 발생한 후 프로테오글라이칸의 구조가 재편성(re-formation)됨으로 인한 연골 자체의 구조 변화이다(Fig. 3B and C). 셋째는 콜라겐과 프로테오글라이칸 결합의 일시적 분리와 프로테오글라이칸의 공간 구조 변화이며, 넷째는 콜라겐 네트웍의 파괴(de-polymerization)이다.

임상적 응용 

   본 술기의 기초 과학적 이해에 앞서 구체적으로 어떻게 임상에 응용되는가를 알아 두는 것이 임상의사로써 이 술기를 보다 구체적으로 이해하는 데 도움이 될 수 있으므로 임상 적용에 대해 먼저 설명하고자 한다. 
   레이저 연골 성형술 연구의 가장 큰 목적은 피부나 점막에 절개를 하지 않고 피부나 점막을 통해 레이저를 조사하고(transdermal or transmucosal irradiation) 연골을 절제하지 않으면서 연골 변형을 유도하는 비절제(non ablative) 수술을 개발하는 것으로, 기존에 많은 예가 보고된 절개 후 비중격 연골을 레이저를 이용하여 제거하는 레이저 비중격 수술⁵⁾과는 전혀 다른 개념으로 생각하여야 한다. 2000년대 초반까지 토끼와 돼지에서 in vivo 실험을^6,7) 거쳐 현재까지 비중격 성형과 귀 성형 분야에서 매우 제한적이긴 하지만 실제 임상적으로 좋은 결과가 발표되고 있다.
   본 술기를 처음 소개했던 Sobol 등은 150명의 연골부 비중격 만곡증 환자에서 표면마취 후 연골의 볼록면을 개조한 비경을 이용, 압박하여 직선형으로 변형시켰다.^8,9) 그리고 변형 또는 스트레스가 가장 심한 부위에 점막을 통하여(transmucosal laser irradiation) Holmium：YAG 레이저를 조사한 후(이해를 돕고자 오목면에 조사하는 것으로 도해하였으나 실제에서는 볼록면에 조사하였다)(Fig. 4) 12~24시간 팩킹을 유치하였다. 술 후 3~36개월 추적관찰 결과 116명에서 증상 완화가 있다고 보고하였다. 그들은 이 수술이 방법적으로 간단하며 짧은 시술 시간, 출혈과 통증이 없다는 장점 외에 기존의 점막연골막 피판을 만드는 수술방법과 달리 안장코 변형과 같은 잠재적 합병증을 예방할 수 있다고 주장하였다. 또한 잠정적 공여 물질인 비중격 연골을 대부분 보존함으로써 추후 이식이 필요할 경우 사용이 가능하며, 17세 이하 환자의 비중격 수술에 적용할 수 있는 장점이 있다고 하였다. 그러나 본 저자의 개인적 의문점은 일반적으로 비중격 연골 수술시 연골을 직선화하기 위한 공간 확보를 위해 잉여연골을 제거하여야 하나 이들의 방법처럼 연골을 제거하지 않을 경우 제한된 비강의 공간에서 직선화가 어렵다는 점이다. 이점에 대한 개인적 대화로 얻은 답은 레이저 조사시 연골의 수축이 발생하여 공간이 생기며, 또한 완전한 직선보다 S자형으로 만들어 만곡을 분산시킨다는 것이다. 
   이 분야의 또 다른 한 축을 이루는 프랑스의 Trelles 등¹⁰⁾은 귀성형 분야에서 성공적인 임상 결과를 보고하였는데, 8명의 돌출 귀(protruding ear) 환자에서 1,540 nm Er：Glass 레이저를 표면 냉각 장치(cooling device)와 함께 사용하여 마취 없이 경피적 조사 후 15일간 ear molding을 유치하여 귀 연골의 변형이 유지되었다고 하였다.
   이 외에 기관 연골의 변형시 내시경적 수술,¹¹⁾ 갈림 코와 같은 비대칭적 콧망울 연골의 교정에서 이 술기의 적용에 대한 연구가 시행되고 있다.

연골 변형술을 위한 레이저의 선택

   스트레스 이완에 의한 연골 성형은 기본적으로 열에너지에 의한 바탕질의 변화에 기인한 것이므로 열에너지를 전달할 수 있는 어떤 방법, 즉 수술용 전기 칼, radiofrequency, microwave 또는 뜨거운 물 등으로도 가능하다. 그러면 왜 레이저를 이용하는가 하는 의문을 가질 수 있는데, 그것은 레이저의 파장에 따른 광학적, 열역학적 특성을 이용할 수 있다는 점과, 기계적 장비의 우월성으로 설명할 수 있다. 
   실험실의 조직공학 재료로써 연골 변형을 유도하는 것이 아닌, 생체에서 비절개적 연골 성형술 시행을 위해 열에너지를 가하는 과정에서 우선 연골 외부의 피부 조직이나 점막 조직과 연골 바탕질, 연골세포에도 필수적으로 영향을 미치게 되는 바, 이런 영향을 최소화하면서도 연골 바탕질 변화를 통한 효과적인 스트레스 이완을 위해서는 열에너지가 표면에 흡수가 적게 되면서도 연골 내부까지 적절히 전달되어야 하는 조건을 만족하여야 한다. 레이저는 그 파장에 따라 인체의 구성 물질과 반응하는 광흡수계수(absorption coefficient)와 광산란계수(scattering coefficient)가 다른 광학적 특성을 가지며(Fig. 5), 또한 연골 내에서 열전도도(thermal conductivity)와 열확산도(thermal diffusivity)가 다른 열역학적 특성이 있다.¹²⁾ 이런 특성을 이용하면 표면 손상을 최소화하고 연골 내부로 적절한 침투성을 가지며, 또한 연골 내에서 원하는 깊이의 부위에 한정되어 균일한 열을 가함으로써 주위 조직의 손상을 최소화하는 안전하면서도 효과적인 파장의 레이저를 선별할 수 있는 장점이 있다. 
   처음 토끼 귀 연골을 이용하여 본 술기의 개념을 도입할 1993년 당시에는 10,600 nm CO₂ 레이저를 이용하였으나 이후 여러 가지 파장의 레이저를 이용한 실험이 시행되어 보다 효과적 레이저 선별에 자료를 제공하고 있다. 현재까지 연골 성형술에 사용되어온 대표적 레이저들은 CO₂ 레이저^1,13) 이외에 1,320 nm Nd：YAG,^14,15) 2,090 nm Ho：YAG,^9,16) 2,940 nm Er：YAG,¹⁷⁾ 1,540 nm Er：Glass,^7,10) 1,450 nm diode 레이저¹⁸⁾ 등이 있다. 이 중 Nd：YAG의 경우 인체에서 연골 성형술의 대상인 비중격과 이개 연골 두께가 약 2 mm 내외라 가정하면 그 침습도가 너무 높고, CO₂ 레이저의 경우 물에 흡수도가 높은 표재성 레이저로 조직 깊이 침습성이 낮기 때문에 현재까지 1,500~2,000 nm 영역대의 파장을 가지는 레이저가 가장 적합할 것으로 추정되고 있다.⁷⁾
   한편 레이저 장비는 다른 장비에 비해 에너지 강도가 안정적으로 유지되며, 조사되는 면적을 비교적 세밀하게 조절이 가능하며, 펄스 파(pulse wave) 형태로 nanosecond 단위까지의 짧은 시간에 반복적으로 강한 에너지를 조사해 주위 조직으로 열 확산을 줄여줌으로써 주위 조직의 손상을 최소화할 수 있다. 또한 아무리 레이저의 투과성이 높다고 해도 조사 과정에서 표면 조직의 손상은 필수적이므로, 비접촉 조사 방법은 표면 냉각 장치와 같은 부속 장비를 동시에 사용이 용이하므로 표면 온도를 낮추어 표면 조직 손상을 방지할 수 있다는 장점이 있다.
   요약하면 레이저의 장점은 시술자가 원하는 면적과 깊이에 비교적 균일한 열에너지 전달이 가능하면서도 조직 표면과 목표 지점 이외 주위 조직의 손상을 최소화할 수 있다는 점이며, 이런 장점이 현재 피부과 영역에서 피하 색소 질환에 경피적 레이저 조사 치료가 널리 이용되고 있는 것과 같이 연골 성형술을 위해서도 레이저가 가장 적합한 열 전달 도구가 될 수 있는 이론적 근거라고 할 수 있다.

효과와 안정성의 딜레마；세포 생육성(Cell Viability)

   본 술기가 근래 임상에서 성공적 사례로 보고가 있으나 아직까지 전 세계적으로 시행되지 못하고 일부 레이저 센터에서만 시행되는 원인 중 하나가 안정성에 대한 문제라고 할 수 있다. 지금까지 많은 연구가 레이저 조사 후 생기는 연골의 물리적 변화에 많은 업적을 남겼으나, 연골세포의 생육성(viability)에 대해서는 아직 논란이 되고 있다. 
   연골 성형술을 행하기 위해 레이저 파장 이외에 적절한 레이저 출력과 노출시간의 조건을 찾는 것이 매우 중요한 의미를 가진다. 낮은 세기와 짧은 시간의 레이저 노출은 세포들의 괴사를 최소화할 수 있지만 원하는 모양의 변형을 유도하지 못하며, 반면에 레이저의 세기와 노출시간을 증가했을 때는 연골의 변형은 잘 유도되나, 연골세포의 영구적 손상을 초래하기 때문이다. Sviridov 등¹⁶⁾은 효과적인 연골 변형을 유도하는 70℃ 이상의 연골 온도를 발생시키면서도 연골 바탕질의 심각한 변성과 연골 세포의 영구적 괴사를 유발하지 않는 적정 조건의 구간이 있다고 주장하였다(Fig. 6). 그들은 이 구간의 조건으로 조사시에 광학현미경적 조직검사상 연골세포의 가역적 변화인 세포질 공포화(cytoplasmic vacuolation)만 발생하며 비가역적 손상인 핵 응축(nuclear condensation)이 발생하지 않는다고 하였다. 그러나 최근에 Live/Dead assay를 이용한 연골 생육성 연구에서 레이저 조사 후 일반적 조직검사에서 가역적 변화로 생각되었던 영역보다 약 3배 넓은 부위에서 연골세포의 괴사가 확인되었다.¹⁹⁾ 그러므로 Sviridov 등이 제시한 적정 조건 연구에서 시행된 일반적 조직검사의 결과와 달리 실제로 비가역적 연골세포 손상이 동반되었을 개연성이 있다. 또한 이후의 연구들은 이런 적정 조건에 대하여 이견을 보이며 약 50~65℃의 온도에서도 연골 변형이 유도되며, 연골 변형을 유도하는 조사량은 연골세포의 괴사가 필수적으로 동반될 것으로 추정하고 있다.^15,20) 
   그러므로 추후 연골세포 생육성에 대한 연구는 비가역적 손상이 발생하지 않는 효과적 조건을 찾기보다는 세포 손상을 최소화하여 연골세포의 재증식이 가능한 조건을 확보하는 것이 더 합리적이리라 생각된다. 비록 연골세포 자체가 스트레스 이완 기전에는 관여하지 않으나 연골세포의 재증식을 위하여 조사 면의 반대 측 연골막의 손상을 예방하는 것이 안전뿐만 아니라 효과적인 연골 성형을 위해서도 매우 중요할 수 있다는 가설을 최근의 in vivo 연구들이 증명하고 있다. 레이저 조사 후 약 10일간은 연골이 원래 형태로 돌아가는 경향을 보이나 이후에는 비교적 안정된 형태를 유지하는데, 이것은 조사 면의 반대편에서 연골세포의 증식이 발생하여 연골이 재생되는 것과 관련이 있을 것으로 추정된다. 이런 연골의 재생은 연골과 접한 연골막세포가 줄기세포와 같은 미분화세포를 가짐으로써 연골세포로 분화함에 따른 것으로 추정되고 있다. 또한 과도한 레이저 조사는 오히려 장기적 관찰에서 안정적인 연골 변형을 유지하지 못하였는데, 이것은 반대편 연골막 손상에 의해 충분한 연골 재생이 되지 않음으로 인한 것으로 추정되고 이런 결과는 이 가설을 방증한다고 할 수 있다.^6,7,21) 최근 인체 비중격 연골을 사용하여 Live/Dead assay를 시행하여 레이저 조사량에 따른 연골세포의 생육성을 확인한 실험은 반대측 연골막의 손상을 예방하는 조사량에 대한 중요한 기준이 될 수 있는 자료를 제공하고 있다(Fig. 7).¹⁸⁾ 그러나 이 실험에서는 연골에 직접 조사한 손상에 대한 결과만을 제시하고 있으므로 이후 경피적 또는 경점막 조사 후 발생하는 손상에 대한 연구가 진행된다면 본 술기의 안전성 확보에 대한 더욱 확고한 토대가 될 수 있을 것이다(Fig. 8). 

맺음말

   레이저 연골 성형술은 인체 여러 연골 부위에 비침습적으로 사용할 수 있는 유용한 술기가 될 수 있을 것이다. 특히 이비인후과 영역에서 가장 흔히 시행되는 비중격 성형술에 단독으로 혹은 기존 수술 방법으로 아직 해결이 어려운 심한 연골 변형 혹은 비중격 상부 연골의 교정에 보조적 수술 방법으로도 그 가능성이 매우 클 것으로 생각된다.
   이 술기가 국내에서 시행되기 위해 몇 가지 선결 과제가 남아 있는데, 첫째, 안전성에 대한 보다 확실한 연구가 이루어져야 하는 의학적 면이다. 앞서 기술한 레이저 파장이나 조사 조건 이외에 레이저 조사 부위의 수, 조사면의 크기, 표면 온도를 낮추기 위한 냉각 장치 개발 등의 미해결 점이 아직 남아 있다. 둘째, 의료 경제적 측면으로 국내 이비인후과 병원에서는 대부분 본 술기에 적합하지 않은 이산화탄소 레이저만 보유하고 있으므로 적합한 레이저의 개발이 필요하다. 현재 상품화되어 있는 레이저는 매우 고가이며, 이런 고가의 장비를 매우 국한된 수술에 사용하기에는 국내 의료 현실이 허락하지 않는 것이 사실이다. 
   이런 과제 해결을 위한 노력이 진행되어 안전성이 확보되고 비용 효율이 합리적인 레이저가 개발 상품화된다면 본 술기가 이비인후과 의사들에게 두경부 영역의 연골 수술에 있어 매우 유용한 방법을 제시해 줄 수 있을 것으로 생각된다.

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