한국과학기술원(KAIST·총장 배충식) 연구진이 알츠하이머병 치료제 투여 후 뇌 속 변화를 실시간 추적하는데 성공했다. 이번 성과는 치료제 작용 평가와 뇌 반응에 맞춘 자극 조절 연구에 활용될 것으로 기대된다.
KAIST는 장경인 기계공학과 교수팀이 대구경북과학기술원(DGIST), 한국뇌연구원, 한국생명공학연구원 연구진과 함께 신경전달물질인 '아세틸콜린'을 감지하는 센서에 빛 자극 소자와 소형 무선 계측 기술을 결합한 이식형 신경칩을 개발했다고 27일 밝혔다.
아세틸콜린은 신경세포 사이에서 정보를 전달하며 기억과 학습에 중요한 역할을 하는 물질이다. 알츠하이머병 치료제인 '도네페질'은 아세틸콜린을 분해하는 효소의 작용을 억제해, 이 물질이 더 오래 작용하도록 돕는다. 약물 투여 후 뇌의 특정 부위에서 아세틸콜린이 어떻게 변하는지 살펴보면 약물의 작용을 이해하는 데 도움이 된다.
연구팀은 개발한 신경칩을 미니돼지의 전전두피질에 삽입하고, 도네페질을 투여한 뒤 아세틸콜린 신호를 무선으로 측정해 약물 투여 후 아세틸콜린 신호가 증가했다가 서서히 회복되는 과정이 관찰됐다.
감지 기술의 핵심은 신경전달물질의 변화를 전기 신호로 바꾸는 감지층이다. 연구팀은 미세한 구멍이 많은 키토산에 은과 백금으로 만든 아주 가는 나노선을 결합했다. 구멍이 많은 구조는 아세틸콜린을 감지하는 효소가 넓게 붙도록 돕고, 나노선은 효소 반응으로 생긴 물질을 전기 신호로 바꾸는 역할을 한다.
다른 물질의 신호가 섞이는 것을 줄이기 위한 장치도 마련했다. 뇌에 삽입하는 가느다란 탐침 양쪽에 효소가 있는 전극과 없는 전극을 각각 배치했다. 두 전극의 신호를 비교해 공통으로 잡히는 간섭을 줄이고 아세틸콜린의 변화를 구분하는 방식이다.
이 신경칩은 뇌 속 변화를 감지하면서 빛으로 신경세포를 자극할 수도 있다. 연구팀은 별도의 생쥐 실험에서 칩에 내장된 초소형 발광다이오드(LED)로 빛 자극을 주었을 때 아세틸콜린 신호가 증가하는 것을 확인했다.
장경인 교수는 “앞으로 치료제가 뇌에서 어떻게 작용하는지 살피고, 뇌 상태에 맞는 자극 방법을 찾는 데 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.
연구팀은 교원창업기업인 엔사이드 주식회사(대표 장경인)를 통해 관련 기술의 사업화를 추진할 계획이다.
연구 결과는 셀 프레스가 발행하는 소자·응용기술 분야 국제학술지 '디바이스'에 14일 게재됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
