“치매 치료 연구에 새 길” 뇌 신경전달물질 실시간 추적 ‘신경칩’ 개발

국내 연구팀이 뇌에 이식한 신경칩으로 기억과 학습에 관여하는 신경전달물질의 변화를 실시간 추적하는 데 성공했다. 이번 연구 성과는 치매 치료제의 작용을 평가하고, 뇌의 반응에 따라 자극을 조절하는 연구에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

손끝에 올려 놓은 '이식형 신경칩'. KAIST

KAIST는 기계공학과 장경인 교수 연구팀이 대구경북과학기술원(DGIST), 한국뇌연구원(KBRI), 한국생명공학연구원(KRIBB) 연구팀과 공동으로 신경전달물질 '아세틸콜린'을 감지하는 센서에 빛 자극 소자와 소형 무선 계측 기술을 결합한 '이식형 신경칩'을 개발했다고 27일 밝혔다.

아세틸콜린은 신경세포 사이에서 정보를 전달해 기억과 학습에 중요한 역할을 한다. 알츠하이머병 치료제인 '도네페질'은 아세틸콜린을 분해하는 효소의 작용을 억제해 아세틸콜린의 작용을 돕는다. 약물을 투여했을 때 뇌의 특정 부위에서 아세틸콜린의 변화 과정을 확인하면, 약물의 작용을 이해하는 데도 도움이 된다.

이를 확인하기 위해 공동연구팀은 미니 돼지의 전전두피질(인지 기능에 관여하는 뇌 영역)에 신경칩을 삽입하고, 도네페질 투여 후 아세틸콜린의 신호를 무선으로 측정했다.

실험에서 약물 투여 후 아세틸콜린 신호는 증가했다가 서서히 회복되는 과정을 보였다. 뇌의 특정 부위에서 일어나는 화학적 반응이 몸 밖에서 연속적으로 확인된 것이다.

뇌 속 아세틸콜린 변화를 측정하는 이식형 무선 신경칩의 구성과 작동 원리. KAIST

감지 기술의 핵심은 신경전달물질의 변화를 전기 신호로 바꾸는 감지 층이다. 공동연구팀은 미세한 구멍이 많은 키토산에 은과 백금으로 만든 나노선을 결합했다. 이때 구멍이 많은 구조는 아세틸콜린을 감지하는 효소가 광범위하게 붙는 것을 돕고, 나노선은 효소반응으로 생긴 물질을 전기 신호로 바꾸는 역할을 했다.

다른 물질의 신호가 섞이는 것을 최소화할 장치도 마련했다. 뇌에 삽입하는 가느다란 탐침 양쪽에 효소가 있는 전극과 효소가 없는 전극을 각각 배치한 후 전극별 신호를 비교해 공통으로 잡히는 간섭을 줄여 아세틸콜린의 변화를 구분하는 방식이다. 측정값은 소형 회로를 거쳐 블루투스로 외부 기기에 전달될 수 있게 했다.

신경칩은 뇌 속 변화를 감지하면서 빛으로 신경세포를 자극하는 것도 가능하다. 공동연구팀은 별도의 생쥐 실험에서 칩에 내장된 초소형 발광다이오드(LED)로 빛 자극을 줬을 때 아세틸콜린 신호가 증가하는 것을 확인했다.

동물실험에서 한국생명공학연구원은 미니돼지 공급과 수술, 한국뇌연구원은 생쥐 수술과 실험을 지원했다.

(왼쪽부터) 장경인 교수, 손지은 박사과정, 오세혁 박사 후 연구원, 하정대 박사 후 연구원. KAIST

공동연구팀은 신경칩이 치매 등 뇌 질환 치료제가 작용하는 과정을 살펴보는 연구에 활용될 수 있을 것으로 내다본다. 특히 약물의 양 또는 투여 간격에 변화를 줬을 때 달라지는 뇌 신경전달물질의 반응을 비교하는 데 도움이 될 것으로 기대한다.

다만 이번 연구는 동물의 뇌에서 신경전달물질의 변화를 측정한 것으로 '알츠하이머병 치료 효과나 기억력 개선을 확인한 것은 아니다'고 공동연구팀은 설명했다. 사람에게 적용하려면 뇌에 장기간 삽입했을 때 안전성 여부와 측정 성능의 유지 여부 등을 추가로 검증해야 한다는 단서도 붙였다.

장 교수는 "뇌 속에서 약물이 작용하는 과정을 실시간 확인할 수 있다면 신약 개발의 시간과 비용을 줄이고, 환자에게 적합한 약물과 용량을 찾는 정밀 의료에도 기여할 수 있을 것"이라며 "공동연구팀은 앞으로 여러 신경전달물질을 동시에 측정하는 다중 센서와 수개월 이상 뇌에서 안정적으로 작동하는 장기 이식형 소자 그리고 측정 결과에 따라 자동으로 자극을 조절하는 폐회로 시스템을 개발하는 데 집중할 계획"이라고 말했다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr