밝은 빛으로 치아 내부 깊숙히 관찰
민감성 치아에 대해 깊이 이해합시다.
율리우스 카이사르의 가족 별장에 묻힌 로마 유물과 민감성 치아의 연관성에 대해 궁금해 본 적이 있으신가요?
그 연관성은 바로 싱크로트론(입자가속기)입니다. 싱크로트론은 축구 경기장 8개에 달하는 면적에 세워져있으며, 태양보다 10억 배 이상 밝은 빛을 만들어냅니다. 1 놀라운 촬영 기술로 민감성 치아에 강력한 빛을 비추는 싱크로트론 과학을 여러분께 소개합니다. 이 과학은 민감성 치아 전용 제품의 작용 원리에 대해 한층 심화된 인사이트를 제공합니다.
그 원리에 대해 지금부터 알아보시죠.
싱크로트론은 무엇일까요?
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과학자들은 서기 79년 베수비오 화산 폭발로 인해 탄화되어 매장되었던 고대 두루마리 기록을 해석하기 위해, 2015년에 세계에서 가장 크고 가장 밝은 X선 시설 중 하나를 사용했습니다.2 1752년에 율리우스 카이사르와 관련 있는 한 빌라에서 발굴된 이 헤르쿨라네움 두루마리는 까맣게 타버려 금방이라도 부서질 듯한 상태였고 그 글자를 읽는 것 또한 불가능했습니다. 그러나 오늘날 고에너지 X선 촬영 기술을 갖춘 거대한 장비, 싱크로트론 덕분에 소위 ‘보이지 않는 도서관’이라 불렸던 이 두루마리의 전체 내용이 현대 대중에게 공개되는 순간을 앞두고 있습니다.3 보이지 않았던 것이 보이게 되는 순간입니다.
그리고 이 기술을 지금 민감성 치아에 대한 이해를 발전시키는 데 사용되고 있으며, 마찬가지로 그 결과는 찬란합니다. 싱크로트론 병원 X선보다 1천억 배 더 밝은 빛을 생성하며, 과학자들은 이를 사용해 최초로 시간 경과에 따른 치아 내부 변화를 심층적으로 관찰하며 치약 제형이 상아질 폐쇄에 미치는 영향을 살펴볼 수 있게 되었습니다. 혁신적인 과학으로 여겨지는 이 싱크로트론 기술은 치약에 대한 이해를 비약적으로 발전시키고 있습니다.
상아질 지각과민증 : 고충
상아질 지각과민증(dentin hypersensitivity)은 전 세계적으로 나타나는 증상입니다. 성인 인구의 1/3에 달하는 사람들이 상아질 지각과민증으로 고통을 받고 있지만 이에 적극적으로 대응하는 사람은 그 중 약 절반에 불과합니다.4 치약만 제대로 골라도 상아질 지각과민증으로 인한 통증을 줄일 수 있다는 간단한 사실을 생각해보면 더욱 놀라운 수치입니다. 그리고 지금 우리는 선구적인 새로운 연구 방법으로 상아질 지각과민증을 더 자세히 알아보고자 합니다.
상아질 지각과민증에 대한 연구는 한 세기가 넘는 기간 동안 이어져 왔고 특히 하이드로다미나믹 이론에 초점이 맞춰져 왔습니다. 하이드로다미나믹 이론은 상아세관을 통과하여 이동하는 유체가 민감성의 주된 원인이라는 이론입니다.5,6 여러 연구에서, 어떻게 하면 치약 제형이 상아세관을 폐쇄하고 상아질 통과 경로를 차단할 수 있는지 그 원리를 탐구했습니다. 이러한 원리가 실현될 경우 유체 흐름이 완화되어 치아 신경의 통증이 예방됩니다.
GSK Consumer Healthcare의 구강 건강 R&D 부서 혁신 책임자인 Christabel Fowler 박사는 다음과 같이 그 이유를 설명했습니다.
“우리는 민감성으로 고통받는 사람들에게 예방 및 완화 효과를 제공하기 위한 최상의 과학을 바탕으로 더 나은 제형을 만들고자 항상 노력하고 있습니다. 이것이 바로 당사의 싱크로트론 활용 목적입니다. 우리는 치아 구조와 당사 제품의 작용기전을 훨씬 더 자세히 볼 수 있도록 해주는 새로운 기법을 확립하고자 합니다. 당사 치약의 작용기전을 더 잘 이해할 수 있게 되면 치과 전문가들이 그 배경 과학을 이해하는 게 훨씬 쉬워질 것이며 이는 환자들이 민감성 치아의 통증으로부터 해방시켜줄 치약을 선택하는 데 도움이 될 것입니다.”
당사 전문가 파트너들의 조언에 따라, 우리는 치약의 작용기전을 이해하는 것이 환자와의 상담에 도움이될 수 있다는 점을 잘 알고 있습니다. 뉴욕에 소재한 치과의사 Liz Mitrani 박사는 “치약의 배경 과학을 이해할 수 있으면 그 치약을 추천하는 데 자신감이 생깁니다. 또한 치약의 작용 원리를 시각화할 수 있고 그 치약이 문제를 해결하는 원리를 환자들에게 설명할 수 있다면 환자들이 충성도를 유지할 가능성은 더 커질 것입니다”라고 이야기합니다.
이것은 굉장한 성과입니다. 우리는 이 성과를 동기로 삼아 ESRF를 찾게 되었고, 이로써 치과의사들이 초정밀적 수준으로 그 과학을 상세하게 살펴볼 수 있도록 지원하고자 합니다.
싱크로트론 과학
ESRF는 싱크로트론을 통해 세계에서 가장 혁신적인 몇 가지 발견을 가능하게 하는 데 일조함으로써 과학 역사상 랜드마크를 위한 봉화와도 같은 역할을 합니다. 예를 들어 노벨상을 수상한 과학자들은 ESRF를 사용해 리보솜의 구조를 밝혀냈습니다.7 리보솜이 없다면 생명 또한 없었을 것입니다. 그리고 싱크로트론이 없었다면 우리는 이 사실을 절대 알지 못했을 것 입니다. ESRF는 또한 항바이러스 약물의 개발과 COVID-19 백신을 모색하는 과정에서도 중요한 역할을 담당하고 있습니다.8
실제로 싱크로트론 X선은 바이러스, 중요 장기, 배터리, 유리, 그리고 헤르쿨라네에 이르기까지 모든 대상의 비밀을 밝혀내는 굉장한 것입니다. 오늘날 ESRF는 전례없는 새로운 과학 연구에서 그 빛을 치아에 비추고 있습니다. 이를 통해 우리는 센소다인 리페어 앤 프로텍트의 사용 후 상아세관 내에서 일어나는 작용을 시간 경과에 따라 3D로 관찰할 수 있습니다.
치아 내부지속 기간
지금껏 상아질 지각과민증 과학의 진보에는 상아세관의 작은 검체에 대한 치약의 영향을 보여주는 기존의 영상 촬영 기법들이 기여해 왔습니다. 그러나 집속 이온 빔 주사 전자 현미경법(focused ion beam scanning electron microscopy, FIB-SEM) 같은 기법들은 초고해상도를 제공한다 해도 그 보이는 범위(field of view)의 크기가 작습니다. 싱크로트론은 훨씬 더 큰 영역을 3D로, 현미경적인 세밀한 수준으로, 그리고 빠른 속도로 검사할 수 있습니다.
FIB-SEM 시험은 한 번에 30~40개 상아세관만 분석할 수 있는 반면에 싱크로트론은 단 몇 분 만에 한 번의 스캔으로 수천 개를 촬영할 수 있습니다. 이는 치아 내에서 일어나는 작용에 대해 더욱 대표적인 관점을 제공합니다. 즉, 폐쇄가 어디까지 이어지는지 그리고 얼마나 오래 유지되는지 알 수 있습니다.
이와 마찬가지로, 대부분의 기존 기법들은 파괴적입니다. 다시 말해, 검체의 내부를 보려면 과학자들이 이를 조각내야 하고 이로 인해 스캔을 실시할 때마다 매번 다른 검체가 필요합니다. 싱크로트론 영상 촬영은 비파괴적으로, 동일 상아세관을 몇 번이고 다시 스캔하여 다양한 시점에서 치약이 폐쇄에 미치는 영향을 살펴볼 수 있는 ‘타임랩스’ 시험을 가능하게 합니다. 이것은 시간을 네 번째 차원으로 하는 4D 영상 촬영으로의 관문이라고 할 수 있습니다. 이 기법은 민감성 치아에 대한 보호를 혁신적으로 만들 잠재력을 가지고 있습니다.
아래턱 3D
우리는 센소다인 리페어 앤 프로텍트를 약 10년간 연구해 왔으며 지난 4년간 개발한 새로운 제형인 센소다인 리페어 앤 프로텍트의 작용기전을 시각화하길 원했습니다. 이 제형은 상아세관 위에 그리고 내부에 보호층을 구축하는 데 도움을 주는 플루오르화석을 함유하고 있습니다.9,10 이 보호층은 첫 사용 시점부터 지속적으로 구축되며, 10분간 산성식품에 대해서도 저항성이 있음을 in vitro 시험에서 입증했습니다.9,10
센소다인 리페어 앤 프로텍트는 상아질 지각과민증을 완화하고 이에 대한 장시간 예방 및 완화를 제공하는 것으로 임상적으로 입증되었습니다.11,12 그러나 우리는 이 제품이 시간 경과에 따라 어떻게 작용하는지를 더 깊고 상세하게 알아보고 싶었습니다. ESRF에서 후속적인 시간 경과 시험을 주도했던 3Dmagination 공동 창립자 Kamel Madi 박사의 말에 따르면 이를 가능하게 할 유일한 방법은 바로 싱크로트론이었습니다.
“상아세관은 복잡하고 밀도, 지름, 방향이 위치마다 다릅니다. 폐쇄 또한 복잡한 현상으로, '차단'이라는 작용은 깊이와 시간에 좌우됩니다. 2시간 뒤에 차단된 상아세관은 4시간이 지나면 다시 개방될 수도 있습니다. 따라서 폐쇄 깊이를 측정하고 시간 경과에 따라 차단기전을 맵핑하려면 상아세관의 3D 형태학에 대해 동적으로 접근해야 합니다. 그리고 이 모든 것은 오직 싱크로트론에서만 실현 가능합니다.”
Madi 박사가 말하길 ‘3D 영화를 촬영하는 것과 유사한 ‘타임랩스’ 시험에서는 상아질의 복잡한 특징을 시각화하기 위해 위상차 단층촬영술을 사용했습니다. “각 검체는 센소다인 리페어 앤 프로텍트 제형으로 칫솔질한 뒤 X선원과 검출기 사이에 위치한 검체 스테이지에 올려 두었고 연속적으로 180° 회전시켰습니다. 약 0.072°의 미세회전마다 검체의 음영 영상(프로젝션)을 수집했습니다. 그 후 동일한 검체를 인공 타액에 넣어 활성 성분과의 반응을 유발했고 8시간에 걸쳐 여러 시점에서 다시 스캔을 실시했습니다. 그 뒤 수천 개의 이러한 프로젝션을 3D 이미지로 재구성하여 분석했습니다." (그림 1)
그림 1. 센소다인 리페어 & 프로텍트의 플루오르화석(S) 기반 치약 제형(0.454% 플루오르화석 함유)으로 처리한 상아질 검체 내 평균 폐쇄 깊이(um)13
보이지 않았던 것이 보이게 되는 순간
이 시험에서 새로운 제형은 상아세관 미세구조 내부에 깊이 도달하여 상아질 표면 위로 장시간 보호층을 형성하는 것으로 나타났습니다. 우리는 기존 영상 촬영을 사용해 X선 분석을 재차 밸리데이션했습니다. ESRF에서 사용한 동일 검체를 케임브리지 대학교의 Cavendish Microscopy Suite로 전달해 FIB-SEM 영상 촬영 및 분석을 실시했습니다.
FIB-SEM은 더 높은 해상도의 영상을 제공하여 상아세관 내에서 일어나는 작용에 대한 이해를 도왔습니다. Cavendish Microscopy Suite의 책임자인 Richard Langford 박사는 다음과 같이 설명합니다.
“우리는 이온 빔을 사용해서 검체를 조각낸 뒤 절단면을 전자 빔으로 검사했습니다. 이 과정을 여러 차례 반복해서 표면 아래 폐쇄에 대한 3D 시각화를 구축했습니다. 또한 제3기법으로 투과 전자 현미경을 사용해 폐쇄 물질의 화학적 및 구조적 조성을 살펴봤습니다.
“여러 시험에서 새로운 제형 [센소다인 리페어 앤 프로텍트] 은 상아세관의 깊은 곳까지 폐쇄가 가능 했습니다. 높은 농도의 불소는 산성 식품에 대해 보호층을 형성하도록 도움을 줄 수 있습니다. 궁극적으로 FIB-SEM 시험을 통해 우리는 싱크로트론 데이터를 밸리데이션할 수 있었습니다. 즉, 관찰된 폐쇄의 평균 깊이는 X선 처리를 바탕으로 계산된 수치와 유사했습니다.”
세밀한 순간을 위한 위대한 과학
Mitrani 박사는 시험들을 통해 얻는 과학적 진보만이 구강 건강을 개선할 수 있다고 믿습니다. “과학을 더 알아가고 초정밀적 수준에서 기전을 이해하는 일은 매우 즐겁습니다. 그것이 우리의 기틀이기 때문입니다. 이 기틀을 이해하고 나면 그 위에 다른 것들을 세울 수 있습니다. 이로써 환자들의 문제를 해결하는 제품을 더 자신 있게 처방할 수 있습니다.”
더 장기간 진행된 싱크로트론 시험은 치약 엔지니어링에서 비약적 변화를 가져올 수 있었습니다. Madi 박사는 “이 연구는 칫솔질된 치아를 시각화하는 방식을 혁신적으로 바꿔놓았습니다. 수천 개의 상아세관 내부를 살펴보고 그 안에서 일어나는 변화를 3D로 관찰할 수 있었기 때문입니다. 앞으로도 새로운 기법들이 많이 개발되겠지만 이 흥미로운 기법은 치약을 최적화하고 맞춤형 제형을 설계하는 새로운 길을 열어줄 것입니다"라고 전했습니다.
민감성 치아 과학은 앞으로도 계속 발전하겠지만 지금까지의 이야기도 환자들에게 꽤 흥미로울 것입니다. 센소다인 리페어 앤 프로텍트를 실험실에서 시험하고 이 제품이 얼마나 깊이 도달하는지 입증하는 데 4년의 시간과 그 무엇보다도 밝은 빛이 필요했지만, 실제 환경에서 그 효과를 입증하는 데 필요한 것은 찰나의 순간과 차가운 레모네이드 한 모금이 전부였습니다.
삶의 질을 떨어뜨리는 민감성 치아에 대응하려면 위대한 과학이 필요합니다.
