골관절염 치료에 NIR 분광법의 역할

소개

관절염은 관절에 손상을 입히는 질병입니다. 가장 흔한 관절염 유형인 골관절염(OA)은 주로 연골에 영향을 미치는 퇴행성 관절 질환입니다. 정형외과에서 가장 흔한 전 세계 건강 문제 중 하나이며 많은 관절에 영향을 미칠 수 있습니다. 복잡한 해부학적 구조로 인해 무릎이 가장 영향을 받는 관절입니다(그림 1).

골관절염은 골극 생성과 점진적인 관절 연골 손실이 특징이며, 이는 영향을 받는 관절에 만성적인 불편함과 기능적 제한을 초래합니다. 유전적 소인, 관절 자세 불량, 노화, 영양실조, 과도한 사용, 저운동성 , 과도한 체중 등 수많은 요인이 골관절염 발병에 기여할 수 있습니다.

그림 1. 무릎 관절의 해부학적 구조

방법

연골 손상은 급성 병변을 초래할 수 있으며, 개입 하지 않으면 외상 후 골관절염(PTOA)으로 진행될 수 있습니다. 연골 복구를 위한 여러 가지 기술이 있으며, 최근 연구에 따르면 손상이 조기에 발견되면 약물 개입이 PTOA의 발병을 예방하거나 진행을 멈추는 데 효과적일 수 있습니다. 따라서 연골의 특성과 질병의 초기 단계에서의 진행을 파악하는 것이PTOA의 효과적인 관리 및 치료에 매우 중요합니다.

골관절염의 진단 및 치료에 대한 현재 표준은 연골하층의 경화를 감지하기 위해 방사선 촬영에 의존합니다. 그러나 골관절염 연구에서 중요한 문제는 관절 이상이 통증을 유발하고 X-레이에 나타날 때까지는 이 질환이 거의 식별되지 않는다는 것입니다. 초기 단계의 골관절염은 일반적으로 임상적으로 나타나지 않기 때문에 이 질병 단계의 연골 조직이 특정 연구에 사용됩니다.

NIR 분광법은 생물학적 조직의 기본적인 화학 구조를 구성하는 CH, NH, OH 및 SH 결합을 포함하는 특정 분자 종에 민감한 진동 분광 기술입니다. NIR은 연골의 미시적 및 거시적 특성에 민감한 것으로 나타났으며, 일반적인 스펙트럼에는 조직의 구조적, 구성적 및 형태적 특성에 대한 잠재 정보가 통합되어 있습니다. 또한 NIR 분광법은 연조직 깊숙이 침투하여 전체 깊이의 연골 탐색을 허용하는 빠르고 비파괴적인 광학 기술입니다. 연구자는 근적외선 범위(650nm~1900nm)를 분석하여 관절 손상 진행을 정량화하고 생체 내 관절경 검사 중 치료를 평가할 수 있습니다.

조직 퇴화가 진행됨에 따라 손상된 관절의 광학적 반응의 변화는 주로 NIR 스펙트럼 범위에 걸친 흡광도의 전반적인 증가(그림 2)와 골관절염 진행을 모니터링하기 위해 근적외선(NIR) 분광법을 사용하는 것으로 특징지어집니다

그림 2. 연골 원시 스펙트럼 (a), 1차 도함수 (b), 2차 도함수 (c)은 대조군 관절 샘플과 점진적으로 퇴화된 관절 샘플에서 얻은 것입니다. 도함수 스펙트럼은 조직 퇴행의 진행과 일치하는 변화를 보여줍니다.

5250cm −1 이하의 스펙트럼 데이터는 스펙트럼은 1차 물의 배음과 근적외선(NIR) 범위의 조합 영역에서 스펙트럼 포화 상태로 인해 제외되었습니다

근적외선(NIR) 분광법은 다양한 응용 프로그램을 통해 골관절염의 치료 및 관리에 중요한 역할을 합니다.

비침습적 평가

NIR 분광법은 관절 조직의 비침습적 평가를 가능하게 합니다. 연골과 활액액의 생화학적 구성에 대한 정보를 제공하여 골관절염과 관련된 변화를 조기에 감지할 수 있습니다.

생화학 분석

NIR 분광법은 연골 퇴화 및 염증과 관련된 중요한 생물학적 특징들(예: 글리코사미노글리칸 (GAG) 및 콜라겐)의 농도를 분석할 수 있습니다. 이는 OA 진행 및 치료 방법의 효과를 모니터링하는 데 도움이 됩니다.

치료 효과 모니터링

NIR 분광법을 사용하면 의료 서비스 제공자는 물리 치료, 약물적 개입 및 수술 옵션을 포함한 다양한 치료 방식의 효과를 평가할 수 있습니다. 정기적인 모니터링은 개별 환자의 필요에 맞게 치료를 맞춤화하는 데 도움이 될 수 있습니다.

연구개발

NIR 분광법은 임상 연구에서 OA에 대한 새로운 치료제와 전략을 개발하는 데 사용됩니다. 질병 진행 및 치료 반응 중에 발생하는 생화학적 변화를 이해하는 데 도움이 됩니다.

예측 분석

NIR 데이터를 머신 러닝 알고리즘과 통합하면 OA 진행에 대한 예측 분석이 향상되어 임상의가 개입 및 생활 방식 변화와 관련하여 더 정보에 현명한 결정을 내리는 데 도움이 됩니다.

빌드 시스템

NIR 분광법은 근적외선의 흡수, 반사 또는 투과에 의존합니다. 샘플의 분자는 진동 모드로 인해 NIR 빛의 특정 파장을 흡수합니다.

Ocean Optics(Ocean Insight)의 DH-2000은 215-2500nm에서 안정적이고 연속적인 출력을 제공하는 광원입니다. 중수소와 할로겐 램프를 조합하여 사용하는 DH-2000은 유연하고 다양한 스펙트럼 영역에 여러 가지 특징이 있는 샘플을 측정하거나 다양한 샘플을 분석하는 데 이상적입니다.

그림 3. 광원 : DH-2000

NIRQuest는 고감도 및 저잡음입니다. 900nm에서 2450nm의 파장 범위에서 지하 샘플 특성에 대한 자세한 정보를 얻기 위해 기능이 풍부한 스펙트럼 응답을 활용합니다. NIRQuest 분광기 는 소형이고 다재다능하며 Ocean Insight 광원 및 액세서리와 호환됩니다

그림 4. 근적외선 분광기: NIRQuest of Ocen Insight

결론

의료 분야에서만 빛은 건강 상태를 모니터링하고, 진단 검사를 수행하고, 만성 상처의 치료를 돕고, 암을 발견하고 퇴치하는 데 사용되며, 의학을 발전시키는 새로운 발견이 매일 이루어지고 있습니다. 내시경 수술 중에 NIRS 시스템을 사용하여 실시간으로 뼈 건강을 평가할 수 있습니다. 외과의는 NIRS 측정을 기반으로 정보에 입각한 결정을 내려 잠재적으로 환자 결과를 개선할 수 있습니다. NIR 분광법은 뼈 조직을 특성화함으로써 골관절염 치료를 위한 내시경 수술 표준을 개선하는 데 기여합니다. 특히 NIR 분광법은 샘플을 손상시키지 않고 가치 있는 정보를 제공하여 생의학 연구와 임상 응용에 중요한 도구가 됩니다.