뇌전증 '발작' 감지센서 개발.. 뇌질환 새 장

[아시아경제 황준호 기자] 국내 연구진이 3대 뇌질환 중 하나인 뇌전증(간질)으로 인한 발작을 실시간 감시할 수 있는 센서를 개발했다. 연구진은 이 기술을 통해 알츠하이머나 파킨슨 병 등 신경계 질환의 병리기전을 이해하는데 발판을 마련할 수 있을 것으로 예상했다.

기초과학연구원은 현택환 나노입자 연구단 단장(서울대 석좌교수)을 필두로 한 연구팀이 뇌 여러 영역의 포타슘이온(K+) 농도 변화를 동시에 측정하는 고감도 나노센서를 개발했다고 10일 밝혔다.

포타슘이온 농도 측정해 '발작' 미리 알 수 있다

포타슘이온 나노센서의 구조

연구팀은 포타슘(칼륨)이온 농도를 실시간 측정해 뇌전증 발생을 미리 감지할 수 있다고 밝혔다. 뇌전증은 뇌 신경세포의 불규칙한 흥분으로 인해 발생한다. 뇌 흥분은 포타슘 이온을 바깥으로 내보내며 이완한다. 하지만 이 과정에서 포타슘이온이 빠져나오지 못하면 뇌 신경세포의 흥분상태가 유지되면서 뇌전증의 증상인 발작과 경련이 일어난다.

연구단은 포타슘이온의 농도 변화만 선별적으로 측정할 수 있는 고감도 나노센서를 개발했다. 연구단은 포타슘 이온과 결합하면 녹색 형광을 내는 염료를 수 나노미터(nm) 크기의 구멍을 가진 실리카 나노입자 안에 넣었다. 이 실리카 나노입자는 세포막의 포타슘 채널과 유사한 구조를 갖고 있어, 포타슘만 선택적으로 통과시킨다. 연구진은 포타슘이온이 염료와 결합해 내는 형광의 세기를 토대로 포타슘이온의 농도를 측정할 수 있도록 했다.

연구단은 센서를 실험용 쥐에 뇌 해마, 편도체, 대뇌피질에 주입해 실험했다. 이어 해마에 전기적 자극을 주고 고의적인 발작을 일으키도록 한 뒤, 포타슘이온 농도를 측정했다. 이 결과, 부분발작이 일어나는 경우 자극이 시작된 뇌 해마에서 편도체, 대뇌피질 순으로 순차적으로 농도가 증가했다. 반면 전신발작 때는 3개 부위 포타슘이온 농도가 동시에 증가하고 지속시간 역시 길어짐을 확인했다.

뇌전증, 알츠하이머병, 파킨슨병 등 뇌질환 병리기전 규명 등에 사용

포타슘이온을 통한 신경세포 활성 측정 과정

연구진의 이번 연구 결과는 포타슘이온의 농도만을 측정할 수 있는 기술을 개발했다는 점에서 의의가 있다. 현재 뇌전증을 비롯한 신경세포의 활성으로 인해 발생하는 뇌질환의 정확한 진단을 위해 포타슘이온의 농도 변화를 감지하려는 연구가 활발히 진행 중이다. 하지만 신경세포가 흥분할 때 세포막의 이온통로를 통해 이동하는 포타슘, 소듐(Na), 칼슘(Ca) 등 여러 이온 중 포타슘이온의 농도 변화만 선택적으로 측정하기 어려운 상황이었다.

연구팀은 "자유롭게 움직이는 상태에서 실시간으로 뇌 신경세포 활성을 측정하는 것은 물론, 뇌의 여러 영역에서 동시에 농도 변화를 감시할 수 있어 발작의 정확한 발병기전을 이해하는데 기여할 것으로 보인다"고 밝혔다. 현택환 단장은 "향후 뇌전증이나 알츠하이머병과 같은 뇌질환들의 병리기전 규명과 진단에 사용될 것으로 기대된다"고 말했다.

연구결과는 네이처 나노테크놀로지에 11일 새벽1시(한국시간) 게재됐다.

황준호 기자 rephwang@asiae.co.kr