[온열치료 전문가 칼럼 24] 전자기장(EMF)의 세포생물학적/치료적 효과(2부)

[온열치료 전문가 칼럼 24] 전자기장(EMF)의 세포생물학적/치료적 효과(2부)

지난 칼럼인 전자기장(EMF)의 세포생물학적 치료적 효과 1부에서는 국제전기통신엽합에서 구분하는 주파수 대역과 파장에 대한 설명과 그 쓰임에 대해 전하며, 전파기장이 생물학적 시스템에 미치는 영향에 대해 간략한 실험 결과를 전하였다. 이어지는 오늘 칼럼에서는 주파수 대역별 인체와 체세포에 미치는 전자기파의 영역과 치료적 효과에 대해 전하고자 한다.

 

저주파에서의 전자기파의 영향:
저주파에서는 전기장과 자기장을 별도로 고려해야 한다. 유기체, 특히 조직에 대한 전자기파의 영향은 물리적으로 주파수, 파형, 편파, 변조, 노출 시간 및 생물학적 영향을 받은 영역의 특성, 크기, 방향과 관련된 다양한 변수에 의해 결정되며, 힘의 선, 피부 두께, 모발, 수분 공급, 연령 및 성별과 같은 노출된 유기체의 다양한 특성에 따라 변화하기도 한다.

최대 수백 KHz 대역의 낮은 주파수에서 전기장은 조직의 전하 분포를 변경하고 특히 세포 외 기질에서 전류 흐름을 유도하는 반면, 자기장은 세포막에 전위차를 생성하는 자기 전류의 순환을 유도하게 된다.

최근 뉴런의 활동에 관한 연구에서 저주파 전자기장 노출 방식이 다양한 감각 및 신경 장애 치료로 사용될 수 있음을 확인했지만, 이러한 기저 메커니즘에 대한 이해는 좀 더 많은 연구로 뒷받침되어야 한다.

세포 수준에서의 생물학적 효과 및 잠재적 표적에 대한 실험 결과에 따르면 전자기 자극은 말초 감각 뉴런의 칼슘 이온 반응에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 현재 진행 중인 추가 연구는 감각 뉴런의 활동 전위 전파에 기여하는 칼슘, 칼륨, 나트륨, 마그네슘 등 다양한 이온 채널에 전자기장이 영향을 미칠 수 있는지, 또 그 정도를 더 명확히 하기 위해 필요하다.

전자기장 영향에 의해 이온 채널은 본질적인 자극별 형태 변화를 일으킬 수 있을 것으로 예상된다. 전자기장의 자극에 의한 이동의 활성화는 세포막에 압력을 가하고, 막 경유 단백질을 변화시키며, 막 투과성을 향상시키므로 세포막이 열려 세포 내〮외의 전위차에 의한 분극을 유발한다.

하지만, 매우 낮은 충격(Impulse) 주파수에서 높은 강도의 전기장과 자기장이 세포에서 세포 외 기질까지 그리고 세포막의 투과성에 크게 영향을 미칠 수 있으며, 이는 차례로 영양분 유입, 이온 교환에 영향을 미치고 독소 방출을 촉진할 수 있다는 것이 확실해졌다.

 

고주파에서의 전자기파의 영향:
세포막의 기본 구조는 두께 약 10나노미터의 인지질 분자의 두 층으로 구성되어 있으며, 이는 세포 내 공간과 세포 외 공간을 구분하는 절연체(또는 유전체)처럼 전기적으로 활동하는 것으로 알려져 있다. 이 이중 층은 양면에서 서로 다른 전하의 이온을 수용할 수 있으므로 두 개의 판이 있는 평면 전기 축전기로 분류할 수 있다.

100kHz 이하의 저주파에서는 전기장이 세포막을 관통하지 않고 우회하기 때문에 인체가 전자기파 에너지를 흡수하지 않는 경향이 있다. 따라서 지배적인 효과는 세포 외 기질에서 전류의 전도이다. [그림 1]

 

[그림 1] 고주파 및 저주파 유전체 노출 시 전기장선의 교란

위의 임곗값을 초과하면 전기력선이 변형되어 세포를 관통하는 경향이 있다. 실제로 커패시터(Capacitor)(각주 1)의 특성은 주파수가 증가함에 따라 매우 낮은 값의 저항, 즉 기본적으로 도체처럼 동작하는 경향이 있다는 것이다. 결과적으로 전기장에 의해 생성된 전류는 낮은 주파수의 파동보다 세포와 조직의 막을 더 쉽게 통과하므로 세포 투과성과 세포에 포함된 세포 소기관에 영향을 미칠 수 있게 된다.

주파수가 100kHz를 초과하면 주된 효과는 열, 즉 조직의 가열이다. 이는 어떤 경우에도 방사 매체의 에너지와 조사된 조직에 의해 흡수되는 에너지에 비례한다. 조직의 세포가 몇 MHz의 주파수에 노출되면 대부분의 전자기파는 광선이 유리를 통과하는 것처럼 조직을 통과한다. 그러나 에너지의 일부는 조직에 갇혀 열로 나타난다. 물리학에서 이러한 현상을 전자파 흡수율(SAR; Specific Absorption Rate) 이라고 하며 와트/킬로그램(Watt/kg)으로 표시된다.

10GHz 이상에서는 전자파가 조직으로 침투하는 깊이가 주파수에 반비례하므로 흡수는 주로 피부에서 발생한다. 생물학적 매체가 몇 GHz 정도의 주파수에 노출될 때 어떤 일이 일어나는지 전자레인지의 작동 원리를 통해 살펴보자.

전자레인지의 작동 원리는 고주파에서 전자기장의 상호 작용을 이해하는 데 도움이 될 수 있다. 전기장은 본질적으로 극성 물 분자와 상호작용을 하여 진동을 따르도록 한다. (1GHz는 초당 약 10억 번을 진동하는 것으로 볼 수 있다.) 이러한 진동은 실제로 오븐에 담긴 음식의 과열을 일으키는 분자 마찰을 생성하게 된다. (전자레인지의 작동 주파수는 약 2.45GHz) 생물학적 조직에서는 상황이 변하지 않는다.

100kHz ~ 10GHz의 주파수 범위에서 전자기장은 진동 상태의 활성화를 유발하는 상호 작용 메커니즘에 의해 조직에 에너지를 제공한다. (자기장의 에너지는 분자의 운동 에너지로 변환됨) 반면에 이미 언급한 바와 같이 주파수가 증가함에 따라 파동은 매질을 통과하는 데 점점 더 어려워지게 된다. 더욱이, 에너지 방출은 전자기파가 어떻게 분극(각주 2)되는지와 전자기파로 반영된 세포, 박테리아, 바이러스 등의 미립자들과 공명할 가능성에 따라 달라진다. 실제로 조직 내부의 파장이 소체의 크기와 같을 때 공명 조건이 생성될 수 있으며 이 경우 최대 에너지 흡수 값이 얻어지게 된다.

전자기장(EMF) 적용의 효과는 생물학적 작용 방식에 대한 다양한 이론을 검토함으로써 각 유형에 대한 최선의 선택을 용이하게 하는 데 유용할 것이다.

위에서 우리는 특정 주파수와 파형의 전자기장이 염증을 줄이고 다양한 종류의 세균 및 바이러스의 감염 확산을 막는 매우 유망한 효과를 유도할 수 있다는 것을 살펴보았으며, 이러한 효과는 크게 다음 [표 1]과 [표 2]의 유형으로 분류될 수 있다.

 

[표 1] 특성 주파수와 파형의 전자기장이 신체에 미치는 효과(1)

[표 2] 특성 주파수와 파형의 전자기장이 신체에 미치는 효과(2)

지금까지 조사한 바에 따르면, 전자기장이 유기 조직에 부딪힐 때 야기할 수 있는 영향은 실제로 더 많지만, 아직 전부 밝혀진 것은 아니다.

여기서는 하이딥600WM이 사용하는 13.56MHz의 고주파 신호는, 전자기장을 형성함으로써 조직에 균질한 가온을 통한 고열 효과와 더불어 세포를 공명하는 디지털 진폭편이변조(ASK) 주파수를 사용하여 다음과 같은 상승효과를 얻을 수 있다.

하이딥600WM 장비에 내장된 항염증 프로토콜을 통한 효과
• 세포 대사 촉진 
• 혈관 확장 
• 심부 고열

ASK모드에서 작동하는 적절한 치료 주파수(5Hz ~ 10,000Hz)의 진폭 변조를 통한 펄스파 효과:
• 유전자 발현 자극 
• 단백질 합성의 변화 
• 투과성의 변화 
• 이온 치환 
• 산소화의 변화 

• 심부 조직의 온도 상승(발열 효과) 

• 가열된 부위에 백혈구의 도달을 자극하는 사이토카인의 방출 

• 특정 약물의 효과 증폭 

• 막, DNA 및 세포 소기관, 병원체(바이러스 및 박테리아)의 공명 등

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각주
1. 캐패시터(Capacitor): 축전기 또는 콘덴서(condenser)라고 칭하는 캐패시터는 전기를 모으고 방출하는 일을 한다. 두개의 금속극판이 있고 그 사이에 유전체가 채워진 형태를 갖고 있다. 13.56MHz 고주파온열치료기의 기본원리로서 정전용량방식이라 부른다.

2. 분극(Polarization): 분극은 특정한 막을 기준으로 안팎의 전하가 나누어져 있는 상태를 말한다. 세포생물학에서의 분극은 세포막(cell membrane)을 기준으로 세포내, 세포외 음(-)전하/ 양(+)전하)의 전기적 불균형을 말한다.

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References:
1. Acute exposure to high-induction electromagnetic field affects activity of model peripheral sensory neurons.- Published in: J Cell Mol Med 2018; 22 (2):1355-1362

2. I MECCANISMI D’INTERAZIONE DEL CAMPO ELETTROMAGNETICO CON I TESSUTI BIOLOGICI: 전자기장과 생물학적 조직의 상호 작용 메커니즘, Paolo Palangio, Angelo Lozito, Antonio Meloni, Cesidio Bianchi Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia – Via di Vigna Murata, 605 – 00143 Roma, 2008

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본 내용은 의학전문매거진 엠디포스트에 매주 연재되고 있습니다.

http://mdpost.co.kr/View.aspx?No=3401220