난치성 신경질환 치료의 새로운 가능성 개척
국내 연구진이 “빛을 이용해 신경조직을 안전하고 세밀하게 자극할 수 있는 방법”을 세계 최초로 개발하였다.
이번 연구는 기존의 전기적 방식과 달리 전극이나 시스템을 이식할 필요가 없이 외부에서 조사(照射)된 빛으로 국소적인 신경자극이 가능하며, 향후 파킨슨병이나 간질과 같은 난치성 신경질환을 치료하기 위한 신경 보철장치에 활용되어 국내 의료기기 산업 발전에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 글로벌프런티어사업의 스마트IT융합시스템연구단(단장 경종민), 미래유망융합기술파이오니어사업 및 중견연구자지원사업의 지원으로 김성준(서울대), 변경민(경희대), 전상범(이화여대) 교수팀이 공동연구로 수행하였다. 연구 결과는 세계적 학술지인 ‘Small’지(紙) 최신호 10월 15일(수)자 Frontispiece 표지논문으로 선정되었다.
※ 논문명: Enhanced Infrared Neural Stimulation using Localized Surface Plasmon Resonance of Gold Nanorods
손상된 감각이나 운동신경을 치료하거나 그 기능을 대체하기 위한 신경자극에 대한 연구가 활발히 수행되어 왔다. 그러나 그간 연구된 전기를 이용한 신경 자극법이나 초음파나 자기장을 이용한 신경 자극법은 실제 적용에 한계가 있었다.
전기 자극법은 직접 전극이나 시스템을 환자에게 수술하여 이식해야 하므로 감염 등의 문제가 있고, 외부에서 초음파나 자기장을 발생하여 신경을 자극하는 것은 인체에 무해하나 시스템이 복잡하고 국소적인 자극이 어렵다.
최근에 열에 의해 신경세포나 세포조직 활동을 제어할 수 있다는 연구결과가 보도되어 열을 이용한 새로운 신경조직 자극 방식을 고안하기 위한 연구가 진행되고 있다.
연구진은 적외선을 흡수하여 열을 발생시키는 금 나노막대 기반의 ‘나노히터’를 개발하고 이를 실험동물의 국소 신경조직에 주입하였다. 그리고 실험동물에게 적외선을 비추었다. 연구진은 적외선이 신경세포 근처에 있는 금 나노막대에서 열을 발생시키고 발생된 열이 안전하고 효과적으로 신경을 자극하는 것을 확인하였다.
980nm의 파장을 갖는 적외선 펄스를 사용하였으며, 나노히터를 이용하여 신경자극의 효과가 5배 이상 향상됨을 확인했다. 또한 자극 역치(생명체가 자극에 대해 반응을 일으키는데 필요한 최소한도의 자극세기)에 대한 적외선 에너지도 1/3 수준으로 낮아지는 것을 확인하여 신경조직의 손상이 없는 안전한 빛 자극이 가능함을 보였다. 연구팀은 “이번 연구는 나노히터 기반의 무전극 신경자극 기술을 기반으로 기존 전기 자극법과 차별화되는 새로운 신경보철 시스템 관련 원천기술을 확보하였으며, 빛을 이용한 신경자극 연구와 신경치료기법의 새로운 가능성을 개척하였다.”라고 연구의의를 밝혔다.
연 구 결 과 개 요
1. 연구배경
질병 진단기술의 발전과 함께 전 세계적으로 노인 인구가 급증하면서 치매, 파킨슨병, 다발성 경화증 등의 뇌신경계 질환을 가진 환자가 늘어나고 있다. 이러한 뇌신경계 질환으로 인해 손상된 감각 또는 운동 신경의 기능을 대체하기 위해 최근 전기 자극을 이용하는 신경보철 시스템이 선진국을 중심으로 응용 범위를 넓혀가고 있으며, 전자공학, 나노공학, 재료공학 등의 발전과 더불어 초박형 소자 개발에 대한 연구가 활발히 수행되고 있다. 그러나 이러한 전기 자극법은 위험한 내과적 수술, 전자파 간섭, 체내 전자 축적, 감염 위험성 등으로 인해 환자에게 큰 부담이 되는 것이 사실이다. 따라서 기존 전기 자극법을 대체할 수 있는 비침습적 방식의 새로운 자극 기술 개발에 대한 요구가 갈수록 높아지고 있다.
최근 들어 초음파 또는 자기장을 이용하는 신경 자극이 비침습적이고 인체에 무해한 방법으로 소개되었으나, 자극 시스템이 복잡하고 국소적인 자극이 어려운 단점으로 인해 실제로 적용되기 어려운 한계가 있다.
이에 본 연구팀은 금 나노막대에 적외선 펄스를 인가했을 때 발생하는 표면 플라즈몬의 광열효과에 기반하는 나노히터를 개발하고 이를 이용하여 비침습적인 방식으로 신경 조직을 효율적으로 자극하는데 성공하였다.
2. 연구내용
외부 열에 의해 세포막 근처에서 유도되는 생물리적 변화를 이용하여 신경세포 또는 신경조직의 활동을 제어할 수 있다는 연구 결과가 최근 보고되고 있다. 이것은 주로 열에 의한 이온 채널의 전도도 변화, 각종 이온의 세포막 투과를 용이하게 만드는 세포막의 재배향, 그리고 열에 의해 활성화 되는 이온 채널과 관련이 있는 것으로 알려져 있는데, 미국 Vanderbilt 대학 연구팀을 중심으로 적외선 펄스를 인가하여 적외선의 생체 내 흡수로 인해 발생하는 열을 이용하여 신경조직을 자극하는 연구가 수행되어 왔다. 그러나 이러한 광학적 방식은 국소적인 자극이 어렵고, 고에너지 자극으로 인한 조직 손상의 가능성으로 인해 기존의 전기적 자극법을 대체하기에는 아직 한계가 있는 것이 사실이다.
본 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 표면 플라즈몬 공명 효과를 바탕으로 금 나노막대가 적외선 영역에서 빛을 흡수하여 열로 전환시키는 특성이 우수하다는 점을 이용하였다. 적외선 펄스의 에너지를 효율적으로 흡수하는 금 나노막대는 해당 구조 근처에서 국소적으로 열을 발생시키는 나노히터로 동작할 수 있으므로, 금 나노막대를 신경세포의 세포막 근처로 유도하여 적외선 자극을 통해 열을 발생시키고 이를 통해 신경을 자극하도록 하였다.
생체 내 실험에서는 980 nm 파장 근처에서 흡수 밴드를 갖는 금 나노막대를 쥐의 좌골신경에 주입하고 해당 파장의 펄스 레이저를 조사했을 때 발생하는 복합 활동전위의 특성을 측정하고, 금 나노막대를 사용하지 않은 경우의 결과와 비교하였다. 생체 조직의 안전성을 보장하는 범위 내에서 수행된 자극실험 결과, 금 나노막대를 이용하는 경우에 레이저 조사 에너지에 따른 신경신호의 크기가 5배 이상이었고, 자극 역치에 대한 적외선 조사 에너지도 금 나노막대가 없는 경우의 1/3 수준으로 낮아지는 것을 확인하였다. 이것은 금 나노막대의 나노히터 효과에 의해 자극의 효율성 및 조직 손상의 가능성이 획기적으로 개선되었음을 보여주는 결과이며, 이를 통해 기존 전기 자극법의 한계를 극복할 수 있는 대안으로 사용될 수 있는 가능성을 입증하였다. 마지막으로 적외선이 조사된 위치의 신경조직에 대한 조직학 연구를 통해 나노히터에 의한 조직 손상이 없음을 확인하였다.
3. 기대효과
연구팀은 나노히터 기반의 무전극 신경자극 기술 개발을 통해 기존 전기 자극법과 차별화되는 새로운 신경보철 시스템 관련 원천기술을 확보하는 발판을 마련하였다. 이를 통해 기존의 고가 신경보철 시스템에 대한 수입 의존도를 낮추고 국산화를 통해 국내 의료산업의 내실을 다질 수 있을 것으로 기대한다. 무엇보다도 차세대 뇌신경계 질환 치료 기술 개발과 연계하여 치매, 파킨슨병 등의 난치성 질환에 대한 해법을 제시하고 국민의 복지 증진 및 고령사회에 대비한 사회적 비용 개선에 기여할 수 있을 것으로 생각된다.
그 림 설 명
빛과 같은 파동에너지를 이용하면 생체 내 신경조직에 비침습적으로 에너지를 전달하여 신경자극을 유발할 수 있는데, 보다 효율적이고 국소적인 자극을 위해 금 나노막대의 광열효과에 기반을 둔 나노히터를 개발하고 이를 신경자극에 이용하였다.
금 나노막대가 신경세포의 축삭의 근처에 위치하고 있음을 볼 수 있다. 이 금 나노막대는 특정 파장의 적외선과 반응하여 플라즈몬 공명현상을 통해 열에너지를 발생시켜 신경을 자극하게 된다.
(a) 실험동물(쥐)의 좌골신경에 적외선 레이저를 인가한 후, 떨어진 지점에서 유발된 신경신호를 측정하는 실험 개념도 (b) 금 나노막대 (GNR (Gold Nanorod)를 좌골신경에 주입하였을 때, 금 나노막대가 없는 경우에 비해 상대적으로 큰 신경신호 (CNAP (Compound Nerve Action Potential))가 기록되었다.
(a) 적외선 자극을 인가하지 않은 대조군 (b) 나노히터를 이용하여 신경자극을 수행한 후 손상이 없는 조직 사진 (c) 나노히터를 사용하지 않고 적외선 신경자극을 수행한 후 손상된 신경조직 사진
용 어 설 명
1. Small 저널
. Wiley에서 발행하는 나노분야 최고 수준의 국제학술지 (2013년 기준 영향력지수 7.514)
2. 표면 플라즈몬 공명 (Surface Plasmon Resonance)
. 금속 박막 또는 금속 나노구조에 빛이 입사하였을 때, 금속 내 자유전자의 모멘텀과 입사빔의 모멘텀이 일치하는 조건에서 공명 현상이 일어나 입사빔의 에너지가 전자에 의해 흡수되면서 표면 플라즈몬의 형태로 크게 증폭되는 현상을 말한다. 증폭된 플라즈몬 필드는 일반적으로 금속 표면에서 진동하다가 주변 매질에 열의 형태로 흡수된다.
3. 나노히터
. 본 연구에서 사용된 금 나노막대가 적외선 펄스를 흡수하여 국소적으로 열을 발생시키는 원리를 의미한다. 나노히터는 금 나노막대의 공명 조건과 일치하는 적외선 파장에 대해서 가장 높은 효율로 열을 발생시키며, 이를 신경세포의 세포막 근처에 위치시키는 경우 근처에 분포하는 이온 채널을 활성화시키는 역할을 수행하게 된다.
4. 좌골신경
. 사람 또는 동물의 하지 운동에 관여하는 말초 신경계
연 구 결 과 문 답
. 이번 성과가 기존과 다른 점은? (기존 기술과 차이 비교)
기존 광학적 자극법과 비교하여, 국소적 자극이 가능하면서 자극의 효율성과 조직 손상 가능성이 크게 개선된 나노히터 기반의 새로운 무전극 신경자극 기술을 개발하였음.
. 어디에 쓸 수 있나? (활용 분야 및 제품)
손상된 신경의 기능을 대체하는 신경보철 시스템의 신경자극 기술에 이용하거나 치매, 파킨슨병 등 난치성 뇌신경계 질환의 치료에 이용할 수 있음.
. 실용화를 위한 과제는?
나노히터로 사용되는 금 나노막대의 생체 내 안전성 확보 및 적외선 펄스의 체내 침투깊이 개선이 요구됨.
. 실용화 가능 시기는?
자극 시스템 개발 및 임상 적용을 위해 10년 이상의 기간이 필요함.
. 산업적, 경제적 파급효과는?
난치성 신경질환 치료를 위한 비침습적인 광학적인 신경자극 방법을 개발하였으며, 이는 기존의 전기적인 방법에 비해 환자들에게 보다 용이하게 적용될 수 있기 때문에 차세대 신경치료 의료기기의 개발로 이어질 수 있음.
