'AI-광유전자학 융합' 파킨슨병 新조기진단·치료법 제시

국내 연구진이 인공지능(AI)과 광유전학(optogenetics) 융합 기술을 이용한 새로운 파킨슨병 조기진단 및 치료 방법을 제시했다. 이 기술은 기존 검사법으로는 찾아내기 어렵던 발병 초기 변화를 민감하게 포착하고, 임상 효과를 높일 수 있다는 점에서 의미를 갖는다.

KAIST는 생명과학과 허원도 석좌교수 연구팀과 뇌 인지과학과 김대수 교수 연구팀, 기초과학연구원(IBS) 이창준 단장 연구팀으로 구성된 공동연구팀이 AI 분석과 광유전학을 결합해 진행한 파킨슨병 동물 모델 실험에서 조기·정밀 진단과 치료 가능성을 동시 입증하는 임상연구 성과를 거뒀다고 22일 밝혔다.

(왼쪽 상단부터) 현보배 박사, 김대수 교수, 이창준 단장, (오른쪽) 허원도 석좌교수. KAIST 제공

먼저 공동연구팀은 2단계 중증도를 가진 파킨슨병 생쥐 모델의 행동 분석에 AI 기반 3D 자세 추정 기술을 도입했다. 파킨슨병 생쥐 모델은 알파-시누클레인 단백질 이상으로 파킨슨병을 유발한 실험용 수컷 생쥐로 사람의 파킨슨병을 모사해 진단·치료 연구에 활용되는 표준 모델이다.

행동 분석은 파킨슨병 생쥐의 걸음걸이, 손발 움직임, 떨림 등 340여 가지 행동 신호를 AI로 분석해 하나의 점수(파킨슨 행동 지수)로 표기하는 방식으로 이뤄졌다.

이 결과 파킨슨 행동 지수는 질환 유도 2주 시점부터 대조군보다 유의미한 차이를 보였으며 기존 운동능력 검사보다 더 민감하게 질환 정도를 판별할 수 있게 했다.

이를 토대로 공동연구팀은 파킨슨병 생쥐의 보폭 변화, 손발 움직임 비대칭, 흉부 떨림 등 이상 행동이 파킨슨병 진단의 핵심 요인이 된다는 점을 밝혀냈다. 상위 20개 행동 표지에는 손·발 비대칭, 보폭·자세 변화, 흉부 고빈도 성분 증가 등이 포함됐다.

공동연구팀은 행동 표지가 단순히 운동 기능 저하를 나타내는 것인지 아니면 파킨슨병에만 나타나는 특이한 변화인지를 확인하기 위해 루게릭병(ALS) 생쥐 모델에도 같은 분석을 적용했다. 파킨슨병과 루게릭병은 공통적으로 운동 기능에 문제가 발생하는 질환으로, 단순히 운동 기능이 저하됐다면 두 질환 모두에서 높은 파킨슨 행동 지수가 나와야 한다는 것이 전제였다.

하지만 분석 결과 루게릭병 동물 모델은 운동 기능이 저하됐을 때도 파킨슨 행동 지수는 나타나지 않았다. 행동 변화 양상도 파킨슨병과는 확연히 달랐다. 이는 공동연구팀이 개발한 파킨슨 행동 지수가 단순한 운동 장애를 확인하는 데 그치지 않고 파킨슨병에만 나타나는 특징적 변화를 찾아내는 도구가 될 수 있다는 점을 방증한 결과다.

광유전학을 이용한 파킨슨병 생쥐 모델의 질병 진행 완화 및 세포사멸 억제 효과. KAIST 제공

나아가 공동연구팀은 파킨슨병 치료에 광유전학 기술인 '옵토렛(optoRET·뇌 신경 세포 기능을 빛으로 정밀 조절)'을 활용했을 때 파킨슨병 동물 모델에서 걷기와 팔다리 움직임이 매끄러워지고 떨림 증상이 줄어드는 효과를 확인했다.

또 하루걸러 한 번 빛을 쏘는 방식(격일 주기)이 파킨슨병 치료에 가장 효과적이며, 이 과정에서 뇌 속 도파민 신경세포가 보호되는 경향을 보였다는 게 공동연구팀의 설명이다.

허 석좌교수는 "이번 연구는 AI 기반 행동 분석과 광유전학을 결합해 파킨슨병의 조기진단?치료평가?기전 검증을 하나로 잇는 전임상 프레임을 세계 최초로 구현했다는 점에서 의미를 갖는다"며 "연구 결과가 향후 환자 맞춤형 치료제 개발과 정밀 의료 실현에 기여할 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.

한편 이번 연구에는 KAIST 생명과학연구소 현보배 박사후연구원이 제1 저자로 참여했다. 연구 결과는 최근 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 온라인판에 게재됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr