“소리”로 바이러스를 파괴한다? 초음파가 COVID-19와 인플루엔자를 파열시킨 새로운 연구

약으로 바이러스를 억제하는 것이 아니라, 백신으로 면역을 앞서게 하는 것도 아닌, "소리의 힘"으로 바이러스 자체를 파괴한다――. 그런 SF 같은 연구가 현실의 과학 논문으로 주목을 받고 있다.

브라질 상파울루 대학 등의 연구팀은 고주파 초음파를 사용하여 SARS-CoV-2, 즉 COVID-19의 원인 바이러스와 H1N1 인플루엔자 바이러스의 구조를 파괴하고 비활성화할 가능성을 제시했다. 연구 결과는 Scientific Reports에 게재되었으며, Phys.org와 FAPESP 등이 보도하고 있다.

포인트는 초음파가 바이러스를 "열로 태우는" 것도 "약품처럼 화학적으로 파괴하는" 것도 아니라는 것이다. 연구팀이 주목한 것은 음파에 의해 바이러스 입자의 구조가 흔들리고, 막이나 외피가 견딜 수 없게 되는 "음향 공명"이라는 현상이다.

바이러스를 "비명"으로 파괴한다는 발상

보도에서는 이 메커니즘이 "바이러스와 비명으로 싸우는 것과 같다"고 표현되고 있다. 물론 사람이 큰 소리를 내면 바이러스가 파괴된다는 이야기는 아니다. 사용되는 것은 사람의 귀에는 들리지 않는 높은 주파수의 초음파다.

이번 연구에서는 3〜20MHz의 고주파 초음파가 검토되었다. 이는 의료용 영상 진단에 사용되는 초음파의 주파수 대역에 가깝다. 한편, 기구의 세척이나 살균으로 알려진 초음파와는 메커니즘이 다르다. 세척용 초음파에서는 액체 중의 미세한 거품이 격렬하게 붕괴하는 "캐비테이션"이 주역이 된다. 캐비테이션은 강력하지만, 주변의 생체 조직에도 손상을 주기 쉽다.

연구팀이 노린 것은 저주파로 거품을 붕괴시키는 파괴적인 작용이 아니라, MHz 대의 초음파에 의해 바이러스 입자 자체에 진동 에너지를 축적시키는 작용이다. 바이러스의 외부를 감싸는 엔벨로프가 진동하고, 왜곡되어 최종적으로 찢어진다. 연구자는 이것을 내부에서 터지는 "팝콘 효과"에 비유하고 있다.

SARS-CoV-2와 H1N1에서 구조 변화를 확인

논문에서는 SARS-CoV-2와 H1N1 인플루엔자 바이러스 모두에서 초음파 조사 후 입자 크기와 구조가 변화한 것이 보고되었다.

SARS-CoV-2에서는 미처리된 바이러스 입자가 비교적 고른 크기 분포를 보인 반면, 초음파 처리 후에는 더 작은 조각을 나타내는 피크가 나타났다. 이는 바이러스 입자가 부분적으로 분해되거나 파편화되었을 가능성을 시사한다. H1N1에서는 처리 후 측정 가능한 범위에서 명확한 입자 신호가 사라졌다고 하며, 더 광범위한 구조 붕괴가 일어났을 가능성이 있다.

또한 주사형 전자 현미경이나 원자간력 현미경에 의한 관찰에서는 SARS-CoV-2의 외부 윤곽이 무너지고, 표면에 움푹 들어가거나 찢어진 자국이 생기며, 매끄러웠던 바이러스 입자가 불규칙한 형태로 변했다. 단순히 크기가 변한 것만이 아니라, 감염에 중요한 엔벨로프나 표면 구조 자체가 손상되었음을 나타내는 결과다.

감염성도 감소, 단 시험관 내 연구

구조가 파괴되었을 뿐이라면, "모양이 변했다"라고만 할 수 있다. 중요한 것은 그것이 감염 능력의 감소로 이어지는지 여부다.

연구팀은 초음파 처리한 SARS-CoV-2를 세포에 감염시켜, 바이러스의 스파이크 단백질이나 복제의 지표가 되는 이중가닥 RNA의 신호를 조사했다. 그 결과, 특정 조건에서는 감염이나 복제를 나타내는 신호가 크게 억제되었다. 특히 7.5MHz 부근의 조건에서 효과가 강하며, 야생형 SARS-CoV-2에서는 바이러스 항원이나 복제 신호가 거의 사라질 정도의 효과가 나타났다.

한편, 여기서는 신중하게 읽을 필요가 있다. 이번 연구는 주로 in vitro, 즉 시험관 내나 배양 세포를 사용한 단계의 연구다. 인간의 체내에서 실제로 같은 방식으로 바이러스만을 겨냥해 파괴할 수 있는지, 폐나 비강, 혈액, 조직 깊숙이 있는 바이러스에 안전하고 충분히 초음파를 전달할 수 있는지는 아직 검증이 필요하다.

"COVID-19나 인플루엔자를 초음파로 치료할 수 있다"고 결론 내리기에는 이르다. 현재로서는 "특정 조건 하에서 초음파가 바이러스 입자를 물리적으로 파괴하고 감염성을 감소시킬 가능성이 보였다"는 단계에 머물러 이해하는 것이 정확하다.

왜 바이러스만 파괴되고 세포는 파괴되지 않는가

이 연구가 주목받는 이유는 단지 바이러스를 파괴했기 때문이 아니다. 강한 에너지를 가하면 많은 것이 파괴된다. 문제는 인체에 대한 피해를 피하면서 바이러스를 겨냥할 수 있는지 여부다.

연구팀의 설명에 따르면, 열쇠는 "형태"와 "크기"에 있다. 구형에 가까운 엔벨로프 바이러스는 특정 주파수의 초음파 에너지를 흡수하기 쉽다. 음의 에너지가 입자 내부에 쌓이고, 외피나 엔벨로프에 기계적인 스트레스가 축적된다. 그 결과, 바이러스 입자는 왜곡되고 찢어져 감염에 필요한 구조를 잃는다.

한편, 숙주 세포는 바이러스보다 훨씬 크고 구조도 다르기 때문에, 같은 음장에서도 같은 방식으로 에너지를 흡수하기 어렵다고 생각된다. 논문에서는 저주파 캐비테이션처럼 거품이 붕괴되어 주변을 무차별적으로 손상시키는 메커니즘이 아니라, MHz 대의 공명에 의한 비열적·비화학적 메커니즘이라는 점이 강조되고 있다.

단, "세포에 전혀 영향을 미치지 않는다"고 단언하기 위해서는 더 다양한 세포종, 조직, 동물 모델, 최종적으로는 임상 시험에서의 검증이 필요하다. 의료 응용을 생각한다면, 주파수, 출력, 조사 시간, 조사 부위, 조직 내에서의 감쇠, 열의 발생, 면역 반응에 대한 영향 등 확인해야 할 항목이 많다.

변이주에도 효과가 있을 가능성은 있는가

연구자가 기대를 거는 점 중 하나는 이 방법이 바이러스의 유전자 배열이 아니라 물리적인 형태에 의존하고 있다는 것이다.

항바이러스제는 바이러스의 효소나 특정 단백질을 표적으로 삼는 경우가 많다. 따라서 변이에 의해 표적의 형태가 변하면 효과가 약해질 가능성이 있다. 백신도 면역이 인식하는 부위가 변화하면 감염 예방 효과가 떨어질 수 있다.

이에 반해 음향 공명에 의한 물리적 파괴는 바이러스가 구형에 가까운 입자이며, 엔벨로프를 가진다는 큰 구조적 특징을 이용한다. 이론상으로는 스파이크 단백질의 일부가 변이하더라도 입자 전체의 물리적 성질이 크게 변하지 않는 한, 효과가 유지될 가능성이 있다.

단, 논문에서는 SARS-CoV-2의 야생형, 감마주, 델타주에서 감수성에 차이가 보였다는 것도 나타나 있다. 특히 감마주나 델타주에서는 조건에 따라 잔존 신호가 확인되었고, 최적의 주파수 조건이 중요하다는 것이 시사되었다. 즉 "변이에 관계없이 만능"으로 보기보다는 "변이주마다 최적 조건이 달라질 가능성이 있다"고 받아들여야 한다.

기존의 초음파 의료와의 거리감

의료용 초음파는 임신부 검사나 심장, 복부, 혈관의 검사 등에서 널리 사용되고 있다. 비침습적이며, 방사선을 사용하지 않는 영상 진단으로 친숙한 기술이다. 따라서 "이미 병원에 있는 기계로 바이러스 치료가 가능한가"라고 기대하고 싶어진다.

그러나 진단에 사용하는 것과 치료로서 목표한 장소에 목표한 에너지를 주는 것은 별개의 문제다. 진단용 초음파는 이미지를 얻기 위해 설계되어 있으며, 바이러스 입자의 공명 파괴를 치료 목적으로 안정적으로 일으키도록 최적화되어 있지 않다. 연구에서 사용된 조건을 인체의 복잡한 조직 내에서 재현하려면, 전용 장치 설계나 조사 프로토콜이 필요할 가능성이 크다.

또한, 호흡기 감염증의 경우, 바이러스는 비강, 목, 기도, 폐 등 여러 장소에 존재한다. 폐는 공기를 많이 포함하기 때문에 초음파의 전달 방식도 어렵다. 심부 조직에 에너지를 전달하는 경우, 주변 조직에 대한 영향이나 열의 축적도 신중히 평가해야 한다.

그럼에도 불구하고, 물리적인 항바이러스 전략이라는 발상에는 큰 매력이 있다. 약제 내성을 일으키기 어렵고, 화학 물질을 사용하지 않으며, 특정 바이러스 단백질에 의존하지 않을 가능성이 있기 때문이다. 연구자는 뎅기열, 치쿤구니아열, 지카열 등 다른 엔벨로프 바이러스에 대한 시험도 진행하고 있다고 한다.

SNS에서는 기대와 지적이 혼재

이 뉴스는 Reddit의 r/science나 r/Futurology에서도 다뤄졌다. 반응을 보면, 과학 뉴스다운 기대와 SNS다운 유머, 그리고 신중한 의문이 섞여 있다.

먼저 눈에 띄는 것은 "이것이 정말 치료로 이어질 수 있는가"라는 기대다. 항바이러스제 개발은 시간과 비용이 많이 들고, 바이러스의 변이에 의해 효과가 흔들릴 수도 있다. 따라서 약제와는 다른 물리적 접근에 관심이 모이는 것은 자연스럽다. 특히 COVID-19와 인플루엔자라는 친숙한 감염증에 관련된 주제이기 때문에 "장래에 호흡기 바이러스에 대한 새로운 선택지가 될 수 있다"고 받아들이는 사람도 있다.

한편, 댓글란에서는 곧바로 기술적인 의문도 제기되었다. 예를 들어 "주파수는 무엇인가"라는 질문이 있었고, 논문의 요지에 있는 3〜20MHz라는 조건이나, 7.5MHz 부근에서 강한 효과가 보였다는 점에 주목하는 반응이 있었다. 이는 매우 중요한 시점이다. 초음파라고 한 마디로 말해도, 저주파의 세척용 초음파와 의료 영상 진단에 가까운 고주파 초음파는 작용 기전도 안전성도 다르다.

또한 "인플루엔자에 걸릴 때마다 산에 수련하러 가야 하나"라는 농담도 보였다. 이는 소리나 비명으로 바이러스를 파괴한다는 표현이 게임이나 판타지의 "샤우트"를 연상시켰기 때문일 것이다. 과학 뉴스가 SNS에서 확산될 때, 이러한 비유는 이해를 돕는 한편, 오해도 쉽게 낳는다. 실제로는 목소리나 음악으로 바이러스를 파괴하는 이야기가 아니라, 제어된 주파수·출력·조사 시간의 초음파를 사용하는 연구다.

더욱이 의료계·과학계 커뮤니티에서는 "이것은 아직 in vitro 단계다"라는 냉정한 시각도 중요하다. 시험관 내에서 바이러스 현탁액에 초음파를 쏘는 것과 인간의 체내 감염 부위에서 안전하게 같은 효과를 내는 것에는 큰 차이가 있다. SNS의 반응도 단순한 찬사만이 아니라, "재미있지만, 임상 응용에는 아직 거리가 있다"는 받아들임이 중심에 보인다.

과도한 기대보다 "새로운 입구"로서 봐야 할 연구

이번 연구는 곧바로 병원에서 사용할 수 있는 치료법을 발표한 것이 아니다. COVID-19나 인플루엔자에 감염된 사람이 초음파 검사를 받으면 낫는다는 이야기도 아니다. 가정용 초음파 기기나 미용 기기로 감염증을 치료할 수 있다는 의미도 아니다.

오히려 중요한 것은 바이러스에 대해 "물리적으로 파괴한다"는 새로운 입구를 제시한 점이다. 지금까지 바이러스 대책은 백신, 항바이러스제, 소독, 환기, 마스크, 면역 조절 등 생물학적·화학적·공중위생적인 방법이 중심이었다. 거기에 주파수를 정밀하게 조정한 음파로 바이러스 입자를 파괴하는 물리학적 접근이 더해질 가능성이 생겼다.

만약 장래에 특정 바이러스에 대해 안전한 조사 조건이 확립된다면, 국소적인 감염 부위에 대한 보조 요법, 의료 기기의 고도 무균화, 혈액이나 체액 유래 샘플의 처리, 또는 약제와 결합한 새로운 치료 전략으로 이어질 수 있을지도 모른다.

단, 인체 응용에는 높은 장벽이 있다. 체내에서는 바이러스만이 단독으로 떠 있는 것이 아니라, 세포, 점액, 혈액, 면역 성분, 조직 구조 속에 존재한다. 바이러스에 충분한 에너지를 전달하면서 주변 조직에 해를 끼치지 않는 조건을 찾아야 한다. 더욱이 바이러스 양이 많은 급성 감염, 잠복 감염, 만성 감염, 전신성 감염증에서는 각각 요구되는 조사 방법도 다를 것이다.

"소리의 의학"은 어디까지 발전할 것인가

초음파는 이미 의학 세계에서 진단뿐만 아니라 치료에도 사용되고 있다. 결석 파쇄