운동이 질병에 대한 치료제가 될 수 있을까? 김태경 교수의 대답은 ‘Yes’다. 실제로 서양에서는 오래 전부터 운동이 특정 질병을 치료하는 기전을 과학적으로 밝히고, 이에 근거한 운동 처방이 활용되어왔다. 2007년 미국의학협회(AMA)와 미국스포츠의학협회(ACSM)이 미국 기반의 건강 계획인 Excercise Is Medicine(EIM:운동이 약이다)을 공동 발족한 것이 대표적 사례다. 특정 질환에 대한 운동의 작용기전을 꾸준히 연구해온 김태경 교수는 이러한 운동 처방에 대한 인식을 높여 국민들이 운동을 통해 건강을 증진시킬 수 있도록 돕고 있다.
신경퇴행성 질환의 원인이 되는 염증성 환경과 ‘알파시뉴클린(alpha synuclein)’의 작용 기전 규명
그간 파킨슨병이나 알츠하이머병 등 신경퇴행성 질환은 각 질병을 특징짓는 다양한 유형의 단백질 응집체가 뇌에 확산되는 것이 주원인으로 알려져 왔으나 단백질 확산에 관한 병리학적 특징이나 세포 간 전달에 대한 구체적인 작용 기전은 아직까지 밝혀지지 않은 상태다. 다만 알파시뉴클린(alpha synuclein)과 같은 응집되기 쉬운 병원성 단백질의 세포 간 전파 원리를 규명하는 것이 파킨슨병 진행의 핵심 원리를 밝힐 수 있는 주요한 과정이라 인식된다. 최근 수행되어온 다양한 연구들이 이러한 templated comformational seeding 메카니즘 규명에 도전했으나 그 실험적 결과가 상이해 명확한 해답에는 도달하지 못했다.
이러한 가운데 최근 김태경 한국체육대학교 체육학과 및 체육과학연구소 교수가 이승재 서울대 의과대학 교수팀과의 공동 연구 끝에 ‘파킨슨병’ 등 신경퇴행성 질환의 원인을 규명하는데 성공하며 학계의 주목을 받았다. templated seed가 단백질 응집체 확산을 설명하기에 충분한가라는 물음에서 출발해 뇌에 지속적인 염증에 의한 사이토카인의 세포 간 노출이 이루어졌을 때 알파시뉴클린(α-synuclein) 응집체 확산이 증가함을 확인한 것은 물론 해당 상황에서 아스피린과 같은 항염증제를 투여하면 응집된 단백질의 확산을 막고, 파킨슨 행동을 억제시킨다는 사실을 입증한 결과다.
본 연구를 위해 김 교수는 체외에서 응집체 형성 능력이 낮으며, 다른 알파시뉴클린(WT-syn)과 혼합할 때 응집체 형성을 방해하는 알파시뉴클린(V40G-syn) 변이 단백질을 제작했다. 응집체 확산 능력이 낮은 V40G 변이 단백질을 실제 마우스 뇌 선조체에 주입한 결과 WT-syn보다 더 많은 양의 알파시뉴클린 응집체가 관찰되었다. 김 교수는 template seed가 파킨슨병 진행의 핵심 원리인 단백질 응집체 확산을 설명하기에는 충분하지 않음을 확인했다며, 알파시뉴클린 응집체의 확산 초기 단계에 다른 환경이 존재할 수 있음을 생각하게 되었다고 설명했다. 또한 응집체 전이가 진행되기 시작하는 초기 마우스 모델에 아스피린과 같은 항염증제를 투여하면 응집된 단백질의 확산과 염증 반응을 억제시키는 것은 물론 파킨슨 관련 운동 기능 이상 행동을 회복한다는 결과도 확인했다. 염증성 환경이 ‘α-synuclein 응집체’의 뇌 확산을 촉진한다는 내용을 밝힌 논문은 분자의학분야 국제 저명 학술지인 ‘Experimental and Molecular Medicine(IF 12.15)’에 게재되었다.
퇴행성 뇌질환 조절에 있어 효과적 역할 수행하는 ‘운동’에 주목하며 후속연구 이어갈 것
김태경 교수는 해당 연구를 통해 templated seeding 모델의 대안으로 염증성 환경의 역할을 강조하는 모델을 제안했다. 뇌에 지속되는 염증성 환경이 파킨슨 질환을 야기하는 주 원인으로 지목되는 알파시뉴클린 확산의 중대한 영향을 끼친다는 사실을 발견했다는 점에서 의미가 크다. 이는 알츠하이머 질환의 주요 조절 단백질인 타우(tau) 응집체 전파에 inflammasome과 같은 염증 단백질의 활성화가 중요한 역할을 수행한다는 최근의 연구 결과와도 일치한다. 또한 알파시뉴클린 등 응집되기 쉬운 병원성 단백질의 세포 간 전파 원리를 확인할 수 있게 된 것은 물론 비약리학적 응용 기전의 대표적 사례인 운동이 파킨슨병을 막고, 초기 염증조절에 효과적 역할을 수행한다는 가능성을 시사한다는 점에서 고무적 성과라 말할 수 있다. 운동은 뇌신경계 전반에 영향을 미칠 뿐 아니라 뇌 세포의 염증반응을 조절하는 다양한 수용체 및 효소들에 변화를 가져온다고 알려졌다. 김 교수는 이번 연구가 파킨슨병 진행의 핵심 원리를 밝히는 새로운 연구의 초석이 될 것이라며, 이번 연구를 계기로 신경퇴행성 질환 해결에 진전이 있었으면 한다는 바람을 전했다.
“기초연구 수준에서의 기전을 제시한 연구 결과를 구체화하기 위해서는 다양한 후속연구를 통해 확실한 검증과 응용과정을 거쳐야 할 것입니다. 구체적으로 얼마만큼의 다양한 뇌 염증 반응이 존재하는지, 염증성 미세환경 중 어떤 인자가 신경세포와 단백질 응집에 관여하는지 등의 질문을 해결하며 퇴행성 뇌질환 치료제 개발에 활용될 수 있도록 하고자 합니다.”
김 교수는 염증성 환경의 α-synuclein 응집체 뇌 확산 촉진 연구 결과에 대한 확실한 검증과 치료제 개발에 이르는 일련의 과정에 관한 후속 연구를 이어간다는 계획을 전했다. 염증성 환경에 노출된 수천, 수만에 이르는 단백질 중 어떤 인자가 신경세포를 응집시키는 작용을 하는지 구체화해간다는 구상이다. 나아가 오래전부터 염증 조절 물질을 비롯한 뇌신경계 전반에 영향을 미친다고 알려진 비약리학적 치료법인 운동에 관한 연구에도 무게를 싣는다. 그는 약물학적 치료법의 부작용을 덜 수 있는데다 환자가 겪고 있는 증상을 개선해주는 비약리학적 치료법인 운동에 대한 낮은 인식에 대한 안타까움을 표하며 국민들이 좀 더 운동 처방사와 가까워질 수 있도록 돕는 가교 역할을 수행하고 싶다고 말했다.
체육학과 기초의학 접목한 연구로 운동의 효과에 대한 분자생물학적 기전 밝혀와
생리학·생화학과 같은 기초 학문의 한 분야인 운동생리학·운동생화학은 운동 전후의 변화과정을 연구하는 학문이다. 학부 과정에서 체육학을, 석·박사 과정에서 기초의학을 함께 공부했던 김태경 교수는 그간 체육학과 기초의학을 접목하고자 노력해왔다. ▲알츠하이머, 파킨슨과 같은 퇴행성 뇌질환의 기전과 운동의 분자생물학적 뇌 기능 조절 ▲우울증, 불안증 등과 스트레스로 인한 감정 장애 기전과 운동의 분자생물학적 뇌 기능 조절 ▲뇌질환에 따른 다양한 방식의 운동 처치와 분자생물학적 기전 평가 ▲퇴행성 뇌질환 치료 후보물질 및 항우울제 후보물질의 분자·행동학적 평가 시스템 구축 등이 주요 연구 주제다.
“운동생리학과 운동생화학을 전공하다보니 퇴행성 뇌질환 기전에 의한 운동의 기전에도 관심을 두어 왔습니다. 운동의 분자 생물학적 뇌 기능 조절을 연구해왔죠. 두 번째 주제는 감정 질환에 관한 기전에 대한 것입니다. 운동의 분자 생물학적 기전도 함께 연구하고 있죠. 이러한 질환에 대한 운동 처치는 굉장히 광범위하게 이루어지고, 구체화되지 못한 상황입니다. 이에 뇌질환 마다 적합한 운동처치 방법과 그 기전에 대한 연구를 수행해왔습니다.”
그동안 스트레스로 인한 우울증의 기전을 연구해온 그는 특히 운동 처치로 인한 분자생물학적 항우울 뇌 기능 조절에 무게를 실어왔다. 이 과정에서 신경펩타이드계(neuropeptide) 신경전달물질이 스트레스로 인한 우울증 진행에 주요한 역할을 하며, 운동이 항우울 기전에도 관여함을 밝힌 그다. 이와 관련해 지금까지 제1저자로 총 9편의 SCI 논문을 발표했다. 김 교수는 질환의 종류와 진행 상황에 따라 어느 시기에 운동을 처치하는 것이 가장 효과적인지에 대한 명확한 지침을 제시할 수 있는 연구를 수행하고자 한다고 전했다. 실제로 타 대학 연구진과 함께 약물과 운동에 의한 변화를 비교할 수 있는 연구를 수행 중이기도 하다. 김 교수는 일련의 연구들이 실제 산학연으로 이어져 환자들에게 실질적 도움을 줄 때 가장 큰 의미를 갖는 만큼 연구를 구체화하기 위한 방안을 늘 고민하고 있다고 말했다.
김 교수는 신경퇴행성 질환에 대한 약물학적·비약물학적 치료제의 분자적 기전을 규명하는 한편 새로운 치료제 개발을 위한 전임상 모델을 확립하는 데에도 기여해왔다. 이를 주제로 병리학적 진행과정의 스크리닝, 행동학적 분석법 개발 등 다양한 응용 연구와 병행하며 제1저자로 총 5편의 SCI 논문을 펴냈다.
마지막은 운동의 생리 및 생화학적 반응과 기전에 관한 연구다. 김 교수는 꾸준한 리뷰를 통해 운동 치료 반응에 관한 질환별·대상별 이론을 확립하고, 현재는 임상 연구를 진행하며 운동의 효과를 검증하고 있다고 설명했다. 이러한 연구의 결과 2013년 대한퇴행성질환학회 우수발표상을 시작으로 2013 뇌인지과학회 우수발표상, 2021 대학발전유공자 표창, 2022 연구우수교원 등의 수상을 이어왔으며, 6건의 정부과제의 연구책임자로서 연구를 이끌었다. 또한 한국운동생리학회, 한국운동영양학회, 한국생활환경학회 이사 및 미국뇌신경과학회, 한국뇌신경과학회, 대한퇴행성신경질환학회, 한국체육학회원으로 활동하는 한편 한국운동생리학회 편집위원 및 미디어홍보 위원장을 역임 중이다.
“오랫동안 우울증 관련 연구를 수행하며 내성이 없는 항우울제란 존재하지 않음을 확인했습니다. 정서질환자들은 현재까지도 내성과 부작용 문제에 시달리고 있죠. 이를 최소화할 수 있는 방법이 바로 운동이에요. 하지만 운동에 관한 구체적인 기전이 잘 알려지지 않은데다 약물보다 효과가 약하다고 인식된 상황입니다. 운동의 효과와 과학적 기전을 규명함으로써 더 많은 사람들이 약물의 도움 없이 건강을 관리할 수 있도록 돕고자 합니다.”
운동의 작용기전 밝히기 위해서는 기초의학자는 물론 스포츠전문가의 역할 중요해
알츠하이머병이나 파킨슨병 등 퇴행성 뇌질환에 대한 치료제 시장은 지난 20년간 꾸준한 도전이 이어져온 분야다. 숱한 실패에도 불구하고 다양한 치료제가 지속해서 등장하며 퇴행성 뇌질환 정복에 출사표를 던져왔다. 김태경 교수는 퇴행성 뇌질환은 각 질환마다 존재하는 단백질의 종류와 기전이 다르기에 각각의 특성에 대한 연구가 필요하다고 말했다.
김 교수가 운동 처치와 알츠하이머의 관계에 대해 관심을 갖게 된 것은 2003년 무렵이었다. 과학자에 대한 막연한 동경을 갖고 있던 그는 우연히 운동 처치가 알츠하이머 환자들의 인지 기능 개선에 탁월한 효과를 나타낸다는 논문을 통해 관련 주제에 매료되었다. 논문에 인용된 참고문헌들을 좇아 서울에 있는 의과대학의 도서관들을 섭렵하며 파고들었던 그다.
김 교수는 당시 찾아낸 그 어떤 논문의 저자도 운동과학을 전문적으로 설명하지 못했다고 말했다. 운동의 긍정적 효과에 대한 연구와 결과 해석이 기초의학자에 의해서만 이루어지고 있었던 셈이다. 그는 해당 논문을 계기로 자신의 연구 주제와 방향성을 확인할 수 있었다고 전했다. 현재는 국내 알츠하이머병 및 파킨슨병의 권위자로 잘 알려진 교수들과의 공동연구를 수행하는 한편 개발 단계에 있는 다양한 펩타이드 및 저분자 화합물의 효능을 전임상 모델에서 분자적, 행동학적 경험에 기반해 확인하고 있다. 최근에는 알츠하이머 모델에 다양한 방식의 운동을 처치하고, 이에 대한 분자적 스크리닝을 이어가며 새로운 후보물질 개발에 집중하는 모습이다.
“운동은 건강관리에 있어 훌륭한 효과를 가진 활동이에요. 이러한 운동 처방이 질환의 치료제로 이어지기 위해서는 수많은 검증 과정이 필요하며, 기초의학자에게만 맡겨서는 한계가 있습니다. 저와 같이 운동을 전공하고, 기초의학 분야에도 몸을 담았던 사람이 할 수 있는 일이라 생각했죠. 초기 염증성 질환에 운동을 처치한다면 운동이 굉장히 중요한 역할을 수행할 것이라 생각했습니다. 이러한 내용을 응용연구에 적용하고자 노력하고 있습니다.”
김 교수는 올해 초 자폐성 장애(Autism Spectrum Disorder) 모델에 자율적 운동을 노출시키자 반복적 행동이 감소하는 흥미로운 결과를 관찰하였다. 이와 함께 그는 정신 질환 중 신경발달 장애가 대부분 유아기나 아동기에 나타나는 정신 장애인만큼 신경 발달 초기에 일찍 운동치료가 이루어진다면 많은 효과를 거둘 수 있으리라는 가설을 세웠다. 향후 이러한 가설을 검증하며 운동의 효과로 인한 신경세포의 시냅스 조절 기전을 구체화해간다는 계획이다.
바이오헬스산업의 중심에 설 스포츠과학, 운동의 우수성을 과학적으로 규명하며 국민 건강에 이바지할 것
체육학을 전공한 후 기초 의학 분야에 몸담고 뇌과학 분야의 기초의학자들과 꾸준히 협업해온 김태경 교수는 자신만의 독특한 이력을 살려 운동의 이점과 작용 기전을 밝히고 싶다는 포부를 전했다. 특히 체육과 운동이 훌륭한 학문임을 더 많은 이들에게 알리고 싶다는 바람이다. 그가 2020년부터 재직 중인 한국체육대학교 또한 국내 최고 수준의 연구시설과 세계적 수준의 스포츠 관련 교원 및 연구 인력을 보유한 국내 유일의 국립체육종합대학이지만 안타깝게도 아직까지 한국체육대학교의 전문화된 스포츠과학의 연구 수준과 잠재력이 많이 알려지지 않은 것은 물론 잘못 알려진 부분이 많다는 설명이다. 김 교수는 국민의 건강을 지키기 위한 가장 기본적인 접근법 중 하나가 바로 운동인 만큼 운동의 기전을 밝히는 스포츠과학은 운동에 대한 인식을 높이는 것은 물론 보다 체계적인 운동 처방을 가능케 할 것이라 내다봤다.
"바이오헬스 분야에서 운동의 중요성이 점차 커질 것이라 확신합니다. 실제로 세계적으로 운동의 구체적 기전과 효과를 연구하는 분들이 많이 계세요. 앞으로 이러한 연구자들이 훨씬 늘어나고, 운동의 우수성이 널리 알려진다면 더 많은 국민들이 생활 속에서 건강을 지키실 수 있으리라 생각합니다. 한국체육대학교는 이러한 변화의 중심에서 운동의 우수성을 알리는 발판 역할을 수행할 것입니다."
한국체육대학교는 엘리트 선수들을 육성하는 한편 국민체육 전문가들을 양성하며 국민의 건강을 책임지고 있다. 김 교수는 학부생들에게는 대학 과정에서 자신이 좋아하는 것이 무엇인지, 어떤 것을 할 때 행복한지를 알아갈 것을 권하고 있었다. 좋아하는 일을 즐기면서 하는 사람이 세상에서 가장 행복한 사람이라는 생각에서다. 그는 좋아하고, 열정을 가진 일을 선택한다면 그 분야에 몰입할 수 있고, 집중해서 어떠한 일에 매진하다보면 전문인으로 성장할 수 있다고 말했다. 대학원생들에게는 성숙한 전문인이 될 것을 주문한다. 자신이 선택한 분야에 숙련되기까지 분명 어려움도 따르겠지만 지혜롭게 해쳐간다면 고난은 새로운 경험이 되어 성장의 자양분이 될 수 있다는 설명이다. 김 교수는 성숙한 전문인이 된다면 평생 자신이 원하는 일을 하면서 삶을 누릴 수 있다며, 애정과 열정을 가질 수 있는 일에 젊음을 투자하며 노력할 때 행복은 자연스레 따라올 것이라 말했다.
신체적 건강은 행복한 삶을 영위하기 위해 가장 필요한 조건이며, 운동은 건강을 지킬 수 있는 가장 기본적인 접근법이다. 김 교수는 전문화된 스포츠과학이 바이오헬스 산업의 중심에 설 수 있도록 구체화·고도화해가야 함을 피력했다. 운동의 분자적 효과에 대한 자신의 연구가 국민의 건강한 삶에 조금이나마 보탬이 되었으면 한다는 바람과 함께였다. 김 교수의 연구가 내성이나 부작용의 위험 없이 건강을 다스릴 수 있는 운동의 작용기전을 명확히 밝히고 그 효과와 중요성에 대한 인식을 높이며 국민 건강 향상에 기여하고 있다.
