본 글은 “Brain injury after cardiac arrest: pathophysiology, treatment, and prognosis” 논문의 내용을 다룹니다.
심정지 이후 어떤 과정을 통해 뇌가 손상을 입게 되는지 조사할 겸 내용을 정리하려 합니다.
갑자기 심장이 정지하게 됐다고 생각할까요?
삼장은 기본적으로 좌심실이 수축하며 산소가 풍부한 혈액을 온몸으로 전하는 역할을 합니다.
“심정지” 라는 뜻은 이러한 역할이 완전히 불가하게 된다는 뜻이죠.
정상적인 상태라면 심장은 산소가 풍부한 혈액을 Carotid Artery 를 통해 뇌 쪽으로도 혈액을 공급하게 됩니다.
이렇게 뇌혈류(CBF, Celebral Blood Flow)가 정상적으로 흐르는 상태가 유지되어야 합니다.
하지만, 심장이 정지하는 순간 이러한 기능이 상실되어 CBF는 No-Flow 상태, 뇌혈류가 흐르지 않는 상태가 됩니다.
이때 뇌에 발생하는 손상은 다음과 같은 과정을 겪습니다.
ATP 고갈
심정지로 인해 뇌혈류가 중단되면, 뇌 세포는 더 이상 충분한 산소와 포도당을 공급받지 못해 ATP 생성이 중단됩니다. ATP는 세포 내에서 다양한 이온 펌프, 특히 Na+/K+ 펌프가 정상적으로 작동하기 위해 필요한 에너지원입니다.
Na+/K+ 펌프의 기능 저하
Na+/K+ 펌프는 세포막에서 Na+를 세포 외부로, K+를 세포 내부로 이동시키는 역할을 합니다. 이 펌프가 작동하지 않으면 Na+가 세포 내로 축적되고, 그로 인해 세포 내 삼투압이 증가하면서 물과 함께 세포가 팽창하게 됩니다(세포 독성 부종).
막 탈분극
Na+가 세포 내에 축적되면 세포막이 탈분극됩니다. 이는 세포막의 전압 감수성 Ca++ 채널을 열리게 하여 Ca++가 세포 내부로 급격하게 유입됩니다. 이 과정에서 세포 내 칼슘 농도가 크게 증가하게 됩니다.
Ca++의 유입과 세포 손상
세포 내 칼슘이 과도하게 유입되면 칼슘 의존성 효소(예: 프로테아제, 인지질분해효소, 카스파제)가 활성화되어 세포 내 구조물과 세포막을 손상시키는 일련의 반응을 일으킵니다. 또한, 칼슘이 미토콘드리아로 유입되어 미토콘드리아 기능을 방해하고, 결과적으로 활성 산소종(ROS)을 생성하여 세포 손상을 악화시킵니다.
즉 세포 내에 Ca++ 의 유입이 많아져 뇌세포가 손상되게 된다는 뜻입니다.
CPR을 통해서 부분적인 재관류가 이어지기 전까지 이러한 손상이 지속되며, 이를 1차적 손상.
Primary Injury 라고 칭합니다.
앞서 1차적 손상은 심정지 이후 CPR을 시작하기 전까지의 상황입니다.
즉, No-Flow 상태가 지속되는 동안은 1차적 손상이 계속 이어졌다고 보면 됩니다.
그렇다면 인위적으로 심장 마사지를 통해 CBF를 만듦에도 불구하고 2차적 손상이 발생하는 이유가 뭘까요?
인위적으로 심장 마사지를 한다고 하더라도, 심장은 정상적인 상태가 아닙니다.
정상적인 심장의 운동을 통해 만들어지는 CBF 에 비해서 CPR을 통한 재관류로 생성 가능한 CBF에는 한계가 있습니다.
CPR을 통해서 생성되는 CBF는 정상 CBF의 25%에 불과합니다.
세포 무결성을 유지하고 추가적인 허혈 손상을 방지하기 위해 필요한 정상 CBF의 40~50 %에 미치지 못합니다.
즉, CPR을 통해서 CBF를 생성한다고 하더라도 지속적으로 손상이 발생하게 된다는 뜻입니다.
또한 이러한 손상은 자발 순환 회복(ROSC)을 통해서 심장의 운동 기능을 돌아오게 되었을 때에도 이어집니다.
보다 자세하게 알아볼까요?
해당 논문의 Fig2에 해당하는 부분입니다.
미세아교세포는 뇌에서 발견되는 거주성 대식세포입니다.
이 세포는 뇌의 면역 반응 역할을 합니다. 정상 상태에서야 비활성화된 상태로 존재하나, 심정지로 인해서 뇌가 손상을 받고
재관류가 이어진 후 염증 신호가 발생하면셔 해당 세포 또한 활성화가 됩니다.
이때 “인터루킨 6” “인터루킨 1-베타” 와 같은 전염증성 사이토카인 및 케모카인을 분비하는데요.
이는 혈류에서 순환하는 단핵구 세포를 끌어들이는 역할을 하게 됩니다.
이 과정에서 백혈구가 뇌 미세혈관 내피 세포에 부탁하는데요. 이는 선천 면역계가 반응하는 첫 단계입니다.
백혈구가 뇌 조직으로 이동하여 손상 부위에서 염증 반응을 유발하고, 손상 부위를 처리하려고 하지만
이 과정에서 세포를 공격하는 활성 선소종이나 효소를 방출하여 추가적인 뇌 손상이 발생하는 것입니다.
뇌 혈류 장벽(Blood-Brain-Barrier, BBB)가 있지요.
이는 뇌기능에 필수적인 물질만 출입을 허용해 외부물질의 침입으로부터 뇌를 보호하는 역할을 하게 됩니다.
앞서 이야기 했던 염증 반응을 통해서 이 BBB의 투과성이 증가하게 됩니다.
이는 뇌로 더 많은 백혈구가 이동할 수 있도록 돕는 역할을 하지만, 동시에 해로운 물질 또한 더 쉽게 뇌로 유입될 수 있게 만들죠.
백혈구, 혈장 등 원래라면 뇌 혈관 바깥에 있어야 할 세포들이 안으로 이동하게 되며 염증 반응이 커지고
이로 인해서 더욱이 손상이 발생합니다.
재관류 이후 일어나는 염증 반응은 손상된 조직을 회복시키는 데에 꼭 필요하지만서도, 2차적 손상을 악화시키는 역할을 하는 것이죠.
때문에 치료 과정에서 이러한 염증 반응을 적절한 수치로 유지하는 것이 중요한 역할이 됩니다.
다음과 같이 심정지 이후 1차적 손상, 2차적 손상을 통해 뇌손상을 입게 됩니다.
단순히 심장이 정지하여 피가 잘 통하지 않아 뇌가 손상을 입는다.
라고 하기보다는 어떤 기전을 통해서 뇌가 손상을 입는지 알기 위해서 다음과 같은 글을 남깁니다.