△ 뇌질환 치료 의료기기 기술이 잇따라 개발되고 있다.

국내 연구진이 최근 치매의 조기 진단 기술을 개발하며 의료기기 상용화 가능성을 높이는데 성공했다.

17일 의료계 등에 따르면 국내 연구진이 광유전학 기반 시스템, 안구 삽입형 인공수정체 형광 센서·모니터링 기술, 뇌신경 신호 실시간 기록 장치 등의 기술을 개발했다.

고려대학교 의과대학 융합의학교실 조일주 교수팀은 최근 경북대학교 IT대학 전자공학부 신효근 교수팀과 함께 뇌를 정밀하게 자극해 뇌 기능을 조절하고 간편하게 머리에 붙이는 형태의 새로운 광유전학 기반 시스템을 개발했다.

기존 비침습 뇌 전기자극 기술은 자극 범위가 넓고 정밀한 조절이 어려워 치료 효과에 한계를 보였다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하고자 광민감 단백질(opsins)과 상향변환입자(upconversion particle)를 활용해 밀리미터 범위 내의 뇌 영역에서 신경 세포를 활성화하거나 억제하는 새로운 시스템을 개발했다.

적색광으로 신경을 활성화(ReaChR)하고, 근적외선(NIR)을 통해 신경 활동을 억제(stGtACR2)할 수 있는 양방향 조절 방식을 구현했다.

또 초소형 무선 광전자 장치를 개발해 실험동물이 자유롭게 움직이는 상태에서도 휴대폰으로 다중 뇌 부위의 정밀한 신경 조절을 가능하게 했다.

연구팀은 다양한 동물 실험을 통해 이 기술의 효용성을 확인했다. 

실험에서 개발된 기술은 동물의 움직임을 정밀하게 제어하고 특정 행동을 유도하거나 억제할 수 있었다. 

예를 들어 뇌의 운동 영역(M2)과 상구 영역(SC)을 선택적으로 자극함으로써 동물의 움직임을 휴대폰으로 제어했다. 

또 뇌의 중간 전두피질(mPFC)을 자극해 경쟁의지를 높이거나 경쟁을 피하게 유도하여, 인위적으로 경쟁에서 이기거나 지게 만들 수 있었다. 

이 과정에서 두 개의 서로 다른 광민감 단백질을 활용해 하나의 뇌 영역에서 신경을 활성화하거나 억제하는 '양방향 광유전학 조절'이 가능함을 파악했다.

이번 기술은 신경 퇴행성 질환 치료 가능성에서도 중요한 진전을 보였다. 

연구팀은 파킨슨병 동물 모델에서 운동 능력 회복을 목표로 기술을 적용했다. 

운동 영역(M2)과 중간선조체(dmST)에 각각 광민감 단백질과 상향변환 입자를 주입한 후 적색광과 근적외선을 이용해 해당 부위의 신경을 활성화했다.

그 결과 머리에 붙이는 형태의 뇌 자극기를 이용하여 파킨슨병 증상인 운동 저하가 개선된 것을 확인했다.

기존에는 뇌에 전극을 심어 파킨슨병과 떨림을 치료하는 뇌심부 자극술이 주로 사용됐으나 이번 연구는 머리에 부착하는 형태의 안전한 시스템으로 이를 대체할 가능성을 입증했다.

연세대학교 용인세브란스병원 안과 지용우 교수는 최근 연세대학교 화공생명공학과 함승주 교수와 함께 알츠하이머병의 조기 진단을 위한 안구 삽입형 인공수정체 형광 센서와 이를 손쉽게 모니터링하는 스마트폰 기반 분석 기술을 개발하고 장기적인 생체 효능을 검증했다.

연구팀은 안구액(방수)과 인공수정체를 이용해 알츠하이머병을 쉽게 모니터링할 수 있는 진단 플랫폼을 개발하고자 했다.

중추신경계와 직접 연결된 눈에서 뇌질환 관련 단백질이 검출될 가능성이 크다는 점과 알츠하이머병이 주로 발병하는 노인층의 백내장 수술 시 인공수정체를 많이 사용한다는 점이 연구의 배경으로 작용했다.

인공수정체 표면에 하이드로겔 센서를 부착한 형태의 진단 플랫폼은 방수 내에서 알츠하이머병 연관 단백질에 반응해 형광 신호를 발현하도록 만들었다.

형광 신호는 지속적인 모니터링을 위해 단백질 농도에 따라 점진적으로 나타난다.

형광 센서는 '역오팔(Inverse Opal)' 구조의 광학적 구조체를 사용해 형광 신호를 증폭했다.

연구팀은 스마트폰의 코딩 개발을 통해 인공수정체 센서의 형광 신호를 증폭하는 이미지 분석 기술도 개발했다.

해당 분석 기술을 활용한 결과 형광 신호 값이 기존과 비교해 2배 이상 뚜렷하게 나타나 가시적으로 모니터링이 가능해졌다.

연구팀은 센싱 성능을 검증하기 위해 다양한 실험을 진행했다.

인공수정체 센서의 형광 신호는 눈 속 방수와 유사한 시험관 내 환경에서 타겟 단백질에 대해 약 4주간 점진적으로 증가했다.

또 돼지 안구 실험 결과 센서는 생체 눈 속에서 작동했고 장기적으로 생체 내 효능을 확보했다.

연구팀은 이번 연구를 통해 개발한 진단 센서는 알츠하이머병을 조기에 진단할 수 있을 뿐 아니라 생체 내에서도 장기간 실시간으로 가시적 모니터링을 가능하게 했다는 점에서 의미를 지닌다고 설명했다.

대구경북과학기술원(DGIST) 로봇 및 기계전자공학과 장경인 교수팀은 최근 한국생명공학연구원 이영전 책임연구원팀과 함께 배터리 없이 무선 전력 전송과 통신을 가능케 해 영장류의 본능적 행동에서 발생하는 뇌신경 신호를 실시간으로 기록할 수 있는 장치를 개발했다.

기존 뇌신경 신호 기록기가 유선 연결로 인해 실험 공간에 제약이 있거나, 배터리가 방전되면 교체를 위한 재수술을 해야 하는 한계를 극복한 것이다.

연구팀은 비인간 영장류인 실험용 원숭이의 뇌에 기록기를 이식시킨 뒤 한 달 동안 자유롭게 움직이는 상태에서 사료나 간식을 섭취하는 행동을 할 때 뇌신경 신호를 성공적으로 측정했다.

이 기록기는 영장류의 본능적 행동 연구를 위한 뇌공학 플랫폼 기술의 하나로 인간과 비슷한 비인간 영장류의 뇌와 행동 간 관계를 분석하는 데 활용할 수 있다.

연구팀은 기술이 발전해 현재 의공학 기술로 치료가 어려운 파킨슨병, 알츠하이머병 등 난치성 뇌질환 치료 연구에 기여할 것이라고 전망했다.

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• 강찬우 기자
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