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Archives of Orthopedic and Sports Physical Therapy Vol.14 No.2 pp.73-80
DOI : https://doi.org/10.24332/aospt.2018.14.2.09

Case Analysis of the Effects of Nucleoplasty and Chemonucleolysis on the Intervertebral Disc

Youngki Hong*
Department of Sports, Health and Rehabilitation, Cheongju University
홍영기 (청주대학교 스포츠건강재활 전공) E-mail: spinehong@gmail.com
November 26, 2018 December 20, 2018 December 26, 2018

Abstract

Purpose:

This study was evaluated the effects of nucleoplasty and chemonucleolysis, as interventional treatments for herniated intervertebral disc disease, on spinal tissues.


Methods:

Nucleoplasty using plasma beam and chemonucleolysis with collagenase were conducted on the spinal motion segments that were dissected from of human cadaver spine under fluoroscopic guidance. After the procedure, the intervertebral discs were transected, and the changes in gross findings were examined. Subsequently, the influence of the procedure on the nucleus pulposus, annuls fibrosus, and endplate was analyzed through a pathologic examination.


Results:

Nucleoplasty was confirmed to eliminate the local range of tissues in nucleus pulposus according to the procedure tract and to not affect other tissues. In chemonucleolysis, we found that collagenase diffused from the surgical site within the nucleus pulposus and was not present in the annulus fibrosus and endplate.


Conclusions:

The clinically-used interventional treatments that were investigated here were not found to do not cause additional damage to areas other than those targeted.



척추의 추간판에 대한 수핵성형술과 화학적수핵융해술의 영향 증례분석

홍 영기*
청주대학교 스포츠건강재활 전공

초록


    Ⅰ. 서 론

    허리통증은 전세계적으로 중요한 건강의 문제이다. 그 유병률은 인구의 30~40%에 이를 만큼 광범위하다 (Cinar, Elbasan, & Duzgun, 2017;Papageorgiou et al., 1995) 요통의 원인 중에 척추의 추간판이 빠져나와 후방 의 척추신경을 누르는 질환을 추간판 탈출증(herniated intervertebral disc disease)이라 한다. 이 질환이 발생시 몸에 손상을 입히지 않는 보존적 요법(conservative therapy)이 일차적으로 시도되나, 호전이 없는 경우엔 수술을 고려하게 된다. 전통적으로 추간판탈출증의 수 술은 메스로 수술창을 만들어, 병소를 직접 육안으로 확인하며 절개하는 개방형 수술(open surgery)를 행해 왔다. 그러나 최근에는 영상장비와 인체조직제거 기술 의 발달을 통해 최소침습적 척추수술(minimally invasive spinal surgery)이 보편적으로 이루어지고 있 다(Gangi et al., 2011;Vadalà et al., 2017). 이러한 최소 침습적 척추수술은 수술부위를 크게 절개하지 않아 몸 의 손상이 적으며, 의료비용의 절감효과도 있다(Gangi et al., 2011). 최소침습적 척추수술 중에서도, 방사선 투사영사장치(fluoroscopy)로 병변의 위치를 확인하며, 가는 시술 도관(cannula)이나 주사바늘을 병변 추간판 에 진입시켜 시술을 행하는 것을 흔히 척추의 중재시술 (spinal interventioal procedure)이라 부른다.

    추간판 조직을 제거하기 위한 중재시술 방법의 종류는 다양하다. 그 중에 플라즈마빔을 이용해 수핵을 제거하 는 기술을 수핵성형술(nucleoplasty)이라 하며(Rooij et al., 2017;Liliang et al., 2016;Keren, Berkovich, & Merom, 2014) , 수핵을 융해시키는 약물을 주입하는 기술 을 화학적수핵융해술(chemonucleolysis)이라 한다 (Rydevik et al., 1985;Wardlaw, 2016). 이러한 중재시술 은 환자의 피부로부터 추간판까지 시술도구를 진입시키 는 과정에서 손상되는 조직의 크기가 아주 작다는 장점이 있다. 그런데 이러한 시술은 조직제거의 범위에 대한 통제가 용이한 일반적 수술과 달리 시술이 주변 조직에 어느정도 영향을 미치는지 가늠하기 어렵다. 예를들어 수핵성형술은 저온 플라즈마에너지를 사용하는데, 이 저온플라즈마는 그 자체의 물리적 에너지로 수핵조직을 제거하는 것이 아니다. 플라즈마 주변에는 강한 화학적 활성을 지닌 물질인 수산화기(hydoxyl radical)등이 생성 되고, 이들의 화학적 작용으로 인해 그 주변 조직의 분자 결합이 끊어져 조직이 제거된다(Bonaldi et al., 2006). 플라즈마 주변에 형성되는 화학적 활성물들과 그것들이 주변에 미치는 효과에 대한 연구는 아직 부족한 실정이 다. 만일 실제적으로 조직을 제거하는 기능을 담당하는 이 신생 화학물질들의 종류와 발생량이 정량적으로 규명 되어 있다면, 그것을 표준화해서 시술의 지표로 삼는 것이 가능할 것이다. 그리고 그 지표를 근거로, 플라즈마 시술이 주변조직에 미치는 영향과 시술작용 범위에 대한 정밀한 예측과 분석이 가능할 것이다. 그러나 현재까지 그러한 연구는 이루어져 있지 않다. 즉 이러한 요소들은 시술자의 이해와 통제의 범위 밖에 놓여있다.

    플라즈마 시술이 최소침습성이라는 중재시술의 이념 을 보다 정밀하게 구현해 가기 위해선, 두 가지 방향의 연구가 필요하다. 첫째, 장치의 임상시술 모드에서 전 극주변으로 생겨나는 작용기 화학물질들의 정성적, 정 량적 분석, 그리고 둘째, 시술 후 추간판의 변화에 대한 조직학적 분석이 있어야 한다. 본 연구에 사용된 방향제 어형 플라즈마 조직제거기기, L’DISQ®(U&I corps, South Korea)는 현재 임상현장에서 각광받으며 활발하 게 사용되고 있다(Kim et al., 2017;Lee et al., 2015). 그런데 이 연구들은 대개 시술 후 환자가 느끼는 통증변 화에 대한 주관적 설문을 다루는 것이 대부분이며, 여기 서 제기한 두 가지 방향의 연구는 수행되어 있지 않다. 이 장치를 이용한 인간사체 연구는 Hong et al. (2012)의 연구가 유일하다. 해당 논문은 사체를 이용해 기기의 조작성을 평가하는 짧은 테크니컬 리포트(technical report)로서 시술 후 주변조직 소견에 특이점이 없었다 는 한 문장의 짧은 기술은 있으나, 현미경적 소견의 제 시를 포함한 구체적 서술이 없다. 또한 사체의 추간판에 기기의 어떤 조작 모드(mode)로 얼마의 시간동안 플라 즈마를 발생시켰는지에 대한 방법론적 기술이 없다. 따 라서 현재 사용되는 임상매뉴얼에 근거한 시술 후 추간 판에 발생한 변화에 대한 연구는 아직 제대로 이루어지 지 않았다. 이러한 점을 고려하여 본 연구에선, 임상매 뉴얼 지침에 따른 시술을 시행한 후의 변화를 관찰한다.

    한편, 화학적수핵융해술은 추간판의 수핵성분을 녹 이는 약물을 주사바늘을 이용해 주입하는 기술이다. 화 학적수핵융해술을 위해 고안된 약물 중에 임상에서 사 용된 것으로는 카이모파파인(chymopapain)과 콜라게 나아제(collagenase)가 있다(Fraser, 1982;Wang et al., 2016). 이 실험에서 사용한 콜라게나아제는 수핵을 구 성하는 주요성분의 하나인 콜라겐을 분해하는 작용을 한다(Wittenberg et al., 2011). 콜라게나아제는 카이모 파파인에 비해 알러지 반응이 적다는 장점이 있다. 그 런데 이러한 수핵융해약제가 수핵내부로 투여되었을 때, 그것이 주변조직으로 퍼져나가는 양상에 관해선 아 직 연구가 부족하다. 즉, 콜라게나아제가 수핵안에 머 물며 작용을 나타내는지 아니면, 주변의 섬유륜이나 종 말판까지 퍼져 들어가는지에 관해선 아직 연구된 것이 없다. 콜라게나아제는 액체의 성상을 지니고 있으므로, 수핵내에 주입되었을 때, 이것이 확산되는 양상을 시술 자가 통제할 수 없다. 그리고 이 약제가 임상용량에서 인체의 수핵 바깥 너머로 확산되는지, 아니면 그 안에 머물러 작용하는지에 관해선 아직 관찰된 연구가 없다. 만일 수핵 이외의 조직에 까지 콜라게나아제가 퍼져나 가게 된다면, 그것은 척추를 구조적으로 약화시키는 시 술 후유증을 만드는 원인이 된다. 즉, 메스로 피부와 근육을 가르는 일반적 수술과 달리 몸 바깥에서 추간판 안까지 바늘을 진입시키는 과정이 최소침습적이라 할 지라도, 만일 콜라게나아제가 수핵의 영역을 넘어 광범 위하게 주변조직으로 퍼져나간다면, 그것은 척추의 정 상조직을 최대한 보존하는 것을 목표로 삼아야 하는 중재시술로서의 본질적 가치를 상실하는 것이다. Artigas, Brock, & Mayer (1984)의 연구에 따르면, 콜라 게나아제 시술 후 에도 허리 통증이 지속된 환자들을 대상으로 10개월 후 수술적으로 제거해 보니 섬유륜 (annulus fibrosus), 종말판(endplate)의 손상이 관찰되 었다. 그런데, 이것이 콜라게나아제가 종말판까지 흘러 들어간 결과인지는 불확실하다. 여기엔 세가지 가능성 이 있다. 첫째, 환자의 종말판이 화학적수핵융해술 시 행 이전부터 손상되어 있었을 경우 둘째, 화학적수핵융 해술로 수핵의 중심부가 제거되자 척추분절의 구조적 안정성에 문제가 생겨 10개월에 걸친 예후 진행과정에 서 종말판을 손상시키는 역학적 스트레스가 발생했을 경우 셋째, 콜라게나아제가 실제로 종말판까지 흘러들 어가 작용했을 경우. 이 중에 화학적수핵융해술에 사용 한 콜라게나아제가 직접적으로 종말판에 작용했을 가 능성을 검토하기 위해선, 화학적수핵융해술 직후 추간 판을 절제해 병리검사를 통해 콜라게나아제의 확산여 부를 확인해야 한다. 그런데, 실제환자에게 이런 생체 실험을 진행하는 것은 불가능하므로, 사체의 추간판조 직을 대체제로 사용하여 콜라게나아제의 확산을 살피 는 병리적 연구가 필요하다. 아직까지 사체를 대상으로 이런 실험은 수행된 적이 없다. 만일, 시술이 추간판 조직을 제거하지 못한다면 시술효과에 대한 근본적 물 음이 제기될 것이고, 반대로 조직에 과도한 영향을 끼 쳐 섬유륜이나 종말판에까지 손상이 온다면, 시술의 안 전성에 대한 재고가 필요할 것이다. 그런데, 아직까지 인간을 대상으로, 이 논문에서 사용한 중재시술 후의 조직소견을 검사한 연구는 찾기 어렵다.

    따라서 본 연구의 목적은 현재 임상현장에 사용되고 있는 척추의 중재시술 방법인 수핵성형술과 화학적 수핵 융해술이 임상적 시술강도에서 척추조직에 실제로 어떤 변화를 만들어 내는지 직접 조직 적출을 통해 관찰하여, 이 시술들의 임상적 가치와 안정성을 평가하고자 한다.

    Ⅱ. 연구 방법

    1. 재료

    냉동보관된 기증사체로부터 척추의 횡절개를 통해 채취된 척추운동분절(spinal motion unit)을 사용한다. 이 실험을 위한 재료의 적출과 각각의 중재시술들은 지난 10년간 의과대학에서 사체를 이용한 척추시술법 에 대한 연구를 수행해온 연구자(M.D,Ph.D)에 의해 시 행되었다. 사체는 남성으로 사망당시 나이는 만 62세 였으며, 방부처리 하여 냉동보관 된지 열흘 정도의 시 간이 지났다. 실험 24시간 전에 냉동고에서 꺼내, 상온 에서 해동하였다. 본 실험은 사체에 대해 수행되었으 므로, 생체가 지닌 혈류의 흐름과 체온발생 및 살아있 는 생체조직이 지니고 있는 일반적 생리화학적 대사작 용이 멈추어져 있는 상태이다. 실험 전 실험에 부적합 한 요소를 배제하기 위해 투사영사장치(fluoroscopy) 로 척추의 변형 여부를 확인하고, 척추를 적출하였다.

    2 시술법

    1) 수핵성형술(Nucleoplasty)

    C-arm 방사선 투사영사장치(fluoroscopy)로 위치를 확인하며, 진입유도바늘(introducer needle)을 척추체 추간판의 전측면(ventrolateral side)을 통해 수핵 가운 데로 진입시킨다. 목표지점에 이른 후엔 유도바늘 도 관(cannula) 안에 있는 탐침(stylet) 을 방향제어형 수 핵성형술 기기인 L’DISQ® (U&I corps, South Korea)의 시술침(wand)으로 교체한다(Figure 1). 준비가 갖춰지 면 추간판 탈출(protrusion)에 대한 임상 매뉴얼 지침 에 따라, ablation mode로 설정하고 5초간격으로 10회 플라즈마빔을 방사한다. 시술이 끝난 추간판은 위와 아래의 척추체를 제거하고 추간판을 적출한다. 적출된 추간판은 횡절개 하여 플라즈마시술 부위를 육안으로 확인한 후, 병리조직검사를 시행한다.

    2) 화학적수핵융해술(Chemonucleolysis)

    척추운동분절에서 위,아래 endplate 를 따라 양쪽의 척추뼈를 절개하여 추간판을 채취한다. C-arm방사선 투사영사장치로 추간판의 가로면(horizontal plane)과 시상면(sagittal plane)을 확인하며 26게이지의 바늘의 끝을 수핵의 전면으로 부터 중심부에 진입한 후 (Figure 2), clostridium histolyticum 균주로부터 생산 한 collagenase (C0130, sigma aldrich, USA)의 임상용 량 600units 를 주입한다. 시술된 추간판은 조직의 부 패를 막기 위해 1% sodium azide phosphate buffered saline 용액이 깔린 페트리디쉬로 옮기고, 방부액이 잘 스며드는 거즈로 추간판 표본을 감싸고 섭씨 36.5도의 인큐베이터에 3일간 보관한다. 그 후 유안적 확인 후 병리조직검사를 실시한다.

    3. 조직검사

    중재시술에 쓰인 추간판들을 10%의 neutral buffered formalin에 1주일간 고정시키고, ethylene diamine tetra acetic acid에 탈회(decalcification) 시킨후 파라핀 절편 한다. 각 조직들을 파라핀에 함몰한 후 박절기 (microtome)를 이용해 5 um의 두께로 절편내고, 헤마 톡실린/에오신(H&E) 염색 후 광학현미경(Olympus)으 로 관찰한다. 병리검사는 수핵, 섬유륜, 종말판의 세 부위를 구분하여 시행한다. 조직검사는 병리분석 전문 기관에서 30년간 관련업무를 수행해온 병리학 전문의 에 의해 시행되었다.

    Ⅲ. 연구 결과

    1. 육안적 소견

    추간판 중심부의 수핵성형술을 시행한 지점 (a)에 국소적인 수핵제거 소견이 보인다. 해당지점 주변에 탄화와 같은 열손상의 흔적은 보이지 않는다. 콜라게 네이즈 투여 추간판(b)에선 수핵성형술 시술지점 보다 광범위한 수핵제거 소견이 관찰된다(Figure 3).

    2. 조직학적 소견

    1) 수핵성형술 후의 조직소견

    Figure 4와 같이 수핵성형의 시술트랙 (a)을 따라 수 핵내에 길게 조직의 제거소견이 발견된다. 시술지점 주변부를 포함해 수핵의 다른 부위엔 특이한 변화는 보이지 않는다. 섬유륜 (b)과 종말판 (c)에도 시술의 영 향이 관찰되지 않는다.

    2) 수핵융해술 후의 조직소견

    Figure 5와 같이 주사바늘이 수핵 안으로 예리하게 투과된 흔적이 보인다 (a). 수핵안으로 주입된 콜라게 나아제가 붉은 무정형 물질(amorphous eosinophilic material)의 형태로 수핵내부에서 확산되는 양상을 보 인다 (b). 섬유륜 (c)과 종말판 (d)에선 콜라게나아제의 소견이 관찰되지 않는다.

    Ⅳ. 고 찰

    추간판탈출증에 대한 척추의 중재시술(spinal interventioal procedure)로서 수핵성형술과 화학적수 핵융해술은 그 임상적 가치를 입증해 왔다(Kallas, Godoy, Andraus, Carvalho, & Andraus, 2013;Koknel, & Derby, 2008;Zhang, Zhang, Wang, Zhang, & Sheng, 2015). 이러한 중재시술은 기존의 개방형수술에 비해 환자의 입원기간이 짧고, 환자의 몸과 경제적 상황에 가해지는 부담이 적다는 장점이 있다(Ramirez, & Javid, 1985). 수핵성형술에 사용하는 저온플라즈마의 수핵제 거 기전의 원리는, 플라즈마 주변에 새로 생성되는 강한 화학적 활성물들이 수핵의 분자결합을 끊어내는 것이다 (Bonaldi et al., 2006). 서론에서 기술한 바와 같이 Yoon, Lee, Hong, & Kang(2011)의 연구에 따르면, 플라즈마빔 주변에 Hydroxyl Radical이 생성되는 것이 관찰되었다. 그런데, 이러한 활성물들의 종류와 발생량에 관해선 아 직 정밀하게 규명되어 있지 않다. 따라서 저온플라즈마 시술이 추간판에 어떤 방식으로 얼마나 영향을 미치는 지에 관해 정확한 이해가 부족한 실정이다. 수핵성형술 이 보다 안전하고 효과적으로 시행되기 위해선, 플라즈 마빔 주면에 발생하는 화학적 활성물에 대한 분석과, 시술후 조직에 대한 병리분석 소견에 대한 데이터의 축적이 필요할 것이다.

    이 실험의 결과를 보면, 임상적 수준에서의 플라즈 마빔 방사시 시술트랙 너머 수핵의 영역과 섬유륜, 종 말판에는 별다른 병리적 변화를 만들어내지 않았다. 따라서, 현재의 임상시술에 사용하는 정도의 플라즈마 빔 발산은 생체에 시술부위 이외에 부가적 손상을 일 으킬 가능성은 많지 않는 것으로 생각된다. 한편 화학 적수핵융해술 후의 결과를 보면, 임상용량인 600 units 투여시 콜라게나아제는 수핵 안에서만 관찰되었고 섬 유륜, 종말판 등에선 보이지 않았다. 따라서, 콜라게나 아제 시술 후 경과가 좋지 않았던 환자들을 대상으로 수술로 추간판을 절제해보니 종말판의 손상소견이 보 였던 기존의 연구결과의 원인이 콜라게나아제라고 단 정하긴 어렵다. 왜냐하면 서론에서 전술한 바와 같이 종말판의 손상이 시술전부터 원래 있었던 것이거나, 콜라게나아제 시술 후 구조적으로 취약해진 수핵의 역 학적 불균형에 의해 종말판으로 가해지는 압력이 증가 해 생긴 결과일 가능성이 이 실험의 결과를 토대로 더 욱 배제될 수 없게 되었기 때문이다. 현재 임상에선 다 양한 중재시술들이 이루어지고 있다. 그런데 그 효과 나 예후를 평가함에 있어 환자를 대상으로 통증지수와 같은 설문에 의존하는 연구가 대다수이며, 이러한 시 술이 환자의 몸의 조직을 어떻게 변화시켰는지 병리학 적으로 관찰하는 연구는 드물다. 중재시술을 받은 이 후의 단기적 및 장기적 예후를 평가하거나 예견하기 위해서는 이 시술이 인체의 조직에서 실제 어떤 변화 를 가져오는지를 관찰하는 작업이 필요할 것이다.

    본 실험에서 사용된 두 중재시술의 결과를 비교해 보면, 플라즈마 시술은 시술 침이 닿는 부위를 중심으 로 보다 정밀하게 조직제거나 변성이 관찰되는데 비 해, 콜라게나아제 시술은 융해약제가 섬유륜이나 종말 판까지는 이르지 않았으되, 수핵 안에선 전반적으로 광범위하게 검출되는 소견을 보였다. 따라서, 콜라게 나아제 시술은, 비록 피부에서 척추에 이르는 바늘의 진입경로 상에선 플라즈마 시술과 유사한 수준의 최소 침습성이 이루어지지만, 추간판 안에선 시술 범위가 상대적으로 확산되는 양상을 보이므로, 시술자가 시술 의 작용범위를 정밀하게 조절할 필요가 있는 중재시술 로서의 본질적 가치를 잘 구현하고 있는지 검토해 볼 필요가 있다고 생각한다. 본 연구는 임상지침에 따른 실험조건에서 중재시술이 추간판과 그 주변조직에 발 생시킨 변화를 관찰한 것으로, 현재까지 인체를 대상 으로 이러한 실험이 이루어진 사례가 드물다는 점에 의의가 있을 것으로 생각한다. 본 연구의 한계점은 생 체가 아닌 사체를 대상으로 하였기에 혈류의 흐름, 체 온 및 세포의 생리대사 작용과 같은 변수가 고려되지 않았다는 점이다. 본 연구는 사체 1구에 대한 증례보고 로서, 시술대상의 표준화와 시술결과의 구체적 정량화 를 위해 추가적 실험을 통한 데이터의 확충이 필요할 것으로 사료된다.

    Ⅴ. 결 론

    수핵성형술은 수핵 내 시술트랙을 따라 조직제거 소 견이 관찰 되었으며, 그 너머 주변의 다른 조직에는 영 향을 미치지 않는 것으로 관찰되었다. 화학적 수핵융 해술의 경우엔 주입된 콜라게나아제가 수핵 내부에서 광범위하게 확산되는 소견을 보였으나, 인접한 섬유륜 과 종말판에선 관찰되지 않았다. 이 결과를 통해 현재 임상에서 사용하고 있는 이러한 중재시술들은 시술의 목적 부위 이외에 다른 인접조직에 대한 부가적 손상 은 입히지 않는 것으로 추정된다. 이처럼 본 실험에 사 용된 중재시술들은, 환자의 근골격계에 미치는 손상의 범위가 시술이 목적한 지역을 벗어나지 않는다는 것이 확인되었으므로, 환자의 근골격계에 상대적으로 큰 손 상을 입히는 전통 수술에 비해 척추와 그 주변지역이 잘 보존될 수 있다. 따라서 퇴원 후 환자의 척추관리를 위한 재활 운동프로그램과 연계하는 작업이 보다 용이 하게 이루어질 수 있을 것으로 생각된다.

    Figure

    AOSPT-14-73_F1.gif

    Fluoroscopic view of the spinal motion segment and nucleoplasty device. The introducer cannula (arrow) and wand tip (arrow head) of L’DISQ were advanced to the mid portion of the nucleus pulposus in the spinal motion segment from the ventral margin of the disc under fluoroscopic guidance.

    AOSPT-14-73_F2.gif

    Axial (a) and Saggital (b) fluoroscopic view of the inververtebral disc for chemonucleolysis. The 26 gauge needle (arrow) were introduced to the centor of the nucleus pulposus.

    AOSPT-14-73_F3.gif

    Gross findings of axial plane of bisected discs after nucleoplasty and chemonuclelolysis. Intervertebral discs treated with L’DISQ (a) and collagenase (b) were sectioned in the axial plane. Disc (a) demonstrated a clean tissue defect with volumetric removal of the nucleus pulposus (circle), and no gross evidence of burning, charring or damage of adjacent structures. In disc (b), more distinct and larger destructed field (circle) is seen, compared with that of disc (a).

    AOSPT-14-73_F4.gif

    Histologic findings of nucleoplasty. Minor denaturation (arrows) at the marginal border of procedure tract (a) was shown. The most part of nucleus pulposus beyond the border, annulus fibrosus (b) and endplate (c) were intact in the procedure disc. (x200 Magnification)

    AOSPT-14-73_F5.gif

    Histologic findings of chemonucleolysis. Phathologic finding showed procedure needle tract (arrow) of chemonucleolysis (a) (x40 Magnification). In sample (b), collagenase is widely distributed in the findings of amorphous eosinophilic material (arrow head). There is no observed collagenase diffusion in annulus fibrosus (c) and endplate (d) of the treated level. (x200 Magnification)

    Table

    Reference

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