뇌 손상을 최소화하는 ‘유연한 침’ 꽂아 도파민 실시간 측정
- DGIST 장경인 교수 연구팀, 3전극 시스템 기반 안정적인 구조의 뇌 삽입형 도파민 센서 개발
- 단 하나의 유연한 탐침을 통해 뇌 내 도파민 농도를 실시간으로 분석할 수 있어… 퇴행성 뇌질환 환자를 위한 맞춤형 탐침 개발 기대
DGIST(총장 국양) 장경인 교수 연구팀은 뇌 손상을 최소화 하면서도 뇌 내(內) 도파민 농도를 실시간으로 정밀하게 측정할 수 있는 도파민 측정 소자를 개발했다. 삽입 가능한 유연한 탐침 형태의 소자를 단 하나만 사용하고도 실시간으로 정밀한 측정이 가능해 퇴행성 뇌질환 환자를 위한 맞춤형 탐침 개발의 핵심 기술로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
도파민은 중추신경계에 널리 분포하는 중요한 신경전달물질 중 하나로, 동기부여·기억·보상과 같은 뇌 기능과 관련이 있다. 특히, 뇌 내 도파민 농도가 비정상적으로 높거나 낮은 경우, 퇴행성 뇌질환을 야기할 수 있다. 그렇기 때문에 뇌질환을 겪고 있는 환자의 뇌 속 도파민 농도를 측정하는 것은 뇌질환 진단과 치료를 위해 매우 중요하다.
하지만 기존에 개발된 뇌 삽입형 탐침은 측정을 위해 2개 이상 사용될 뿐더러 구조가 빳빳해 부드러운 뇌 조직과 맞지 않았다. 이로 인해 삽입 시 뇌 조직 손상을 일으키거나 염증을 유발하고, 지속적이고 정확한 측정이 어려웠다. 이를 해결하기 위해 유연 소자 기반의 뇌 삽입형 탐침 기술들이 개발되고 있으나, 여전히 탐침의 면적이 넓거나 여러 개의 탐침을 삽입해야 해 뇌 손상을 크게 유발한다.
이에 장경인 교수 연구팀은 단 하나의 유연한 탐침을 사용해 장기간 안정적이고 안전하게 삽입할 수 있는 기술을 개발했다. 연구팀이 제안한 탐침은 양면 구조로, 작업 전극과 기준 전극을 한쪽 면에, 상대 전극을 다른 한쪽 면에 위치시켰다. 이 덕분에 삽입 면적을 유지하면서도 기존의 단일 구조의 탐침보다 이용할 수 있는 면적을 2배가량 크게 증가시킬 수 있었다.
뿐만 아니라, 작업 전극에 산화아연(ZnO) 기반의 복잡한 3차원 나노로드 구조를 구현해 실질적인 탐침의 비표면적을 매우 크게 증가시켰다. 즉 본 연구에서 제시한 탐침 구조는 뇌조직 손상을 최소화하며 탐침의 기능은 극대화시킨 새로운 탐침형태의 도파민 센서다. 전극이 탐침의 양면에 위치하면 탐침의 중립층과 전극 사이의 거리가 멀어져, 탐침이 변형되었을 때 전극이 역학적으로 불안정해지는 구조적 한계가 존재한다. 그러나 본 연구에서는 전극이 변형되어도 역학적으로 안정할 수 있도록 전극을 구불구불한 구조(Serpentine-pattern)를 갖는 마이크로 전극을 설계하여 이를 해결했다.
DGIST 로봇 및 기계전자공학전공 장경인 교수는 “이번에 개발한 양면 구조의 탐침은 기존의 탐침으로는 불가능했던 장기간 안정적인 초정밀 도파민 농도 측정이 가능하여, 추후 뇌질환 환자를 보조하는 탐침 개발에 기준이 될 수 있을 것이다.”라며, “이미 쥐 실험을 통해 높은 정밀성과 안정성을 확인했으며, 추후 연구 내용을 더 발전시켜 뇌질환 환자의 삶의 만족도를 높일 수 있는 뇌삽입형 탐침 기술로 발전시키겠다.”고 말했다.
한편, 이번 연구는 DGIST 박정락 박사과정생·정한희 박사·하정대 석박사통합과정생이 제1저자로, DGIST 장경인·오용석 교수가 공동교신저자로, 한국생산기술연구원 금호현 박사가 공저자로 참여했다. 결과는 국제학술지인 ‘Advanced Functional Materials’ 10월자 온라인 판에 게재되었다.
연 구 결 과 개 요
(Han Hee Jung, Jeongdae Ha, Jeongrak Park, Seongtak Kang, Jinmo Kim, Han Na Jung, Samhwan Kim, Junwoo Yea, Hyeokjun Lee, Saehyuck Oh, Janghwan Jekal, Soojeong Song, Jieun Son, Tae Sang Yu, Youngjeon Lee, Jinyoung Won, Kyung Seob Lim, Yoon Kyeung Lee, Hohyun Keum, Taeyoon Lee, Young Min Song, Jae-Woong Jeong, Jong-Cheol Rah, Ji-Woong Choi, Sheng Xu, Yong-Seok Oh, Kyung-In Jang)
(Advanced Functional Materials, on-line published on 20th October, 2023)
수명 증가에 따라 노인 인구가 늘어나며 퇴행성 뇌질환의 유병율도 함께 증가하고 있다. 특히 파킨슨병은 세계적으로 흔한 퇴행성 뇌질환으로 뇌내 비정상적인 도파민 조절이 질환 발병과 깊은 연관이 있다. 따라서 뇌내 도파민 농도를 실시간으로 정확히 분석하는 기술이 파킨슨 병 환자의 상태를 진단하고 더 나아가 질환을 치료하는데 중요한 핵심 기술로 여겨지고 있다. 기존에 제시된 뇌삽입형 탐침은 너무 단단하여 삽입부에 지속적인 염증 반응과 손상을 유발하여 장기간 안정적인 농도 측정이 불가능했다. 최근 유연 소자 기반의 뇌삽입형 탐침이 개발되고 있으며 이를 통해 뇌조직 손상을 크게 줄일 수 있었지만 여전히 탐침의 면적이 크거나 삽입되는 탐침의 개수가 많아 뇌조직 손상이 유발되는 한계점이 있다. 특히 3전극 기반 탐침의 경우, 전극의 면적이 클수록 도파민 측정 능력이 높아지는 특성이 있어 정밀한 측정을 위해서는 탐침의 크기가 증가하거나 여러 개의 탐침을 삽입해야했다. 본 연구에서는 탐침의 선폭을 증가시키지 않고도 정확한 도파민 농도 측정이 가능한 양면 구조의 “올인원(All-In-ONE) 탐침”을 제시한다. 해당 탐침은 작업 전극과 기준 전극, 상대 전극을 서로 다른 면에 위치시켜 기존 단면 구조의 탐침보다 2배가량 넓은 전극 면적을 확보함과 동시에 뇌조직 손상은 최소화시킬 수 있는 새로운 형태의 탐침이다. 또한 탐침의 작업 전극에 산화 아연 기반의 3차원 나노로드 구조를 구현하여 실질적인 탐침의 비표면적을 극대화하고 도파민 농도 측정 능력(감도)을 크게 증가시켰다. 한편 양면 구조 탐침의 전극은 탐침의 중립층과 멀리 떨어져있어 역학적으로 불안정한 구조적 한계를 갖는데, 양면의 전극을 구불구불하게 설계함으로써 이를 해결했다. 해당 탐침의 장기간 안정성과 높은 정밀도 및 감도를 입증하기 위해 설치류의 뇌속에 올인원 탐침을 삽입하여 동물 실험을 진행하였으며, 탐침은 장기간 높은 정밀도와 감도를 유지하여 해당 기술이 퇴행성 뇌질환 환자를 위한 탐침 개발의 핵심 기술로 활용 될 수 있음을 입증했다.
연 구 결 과 문 답
이번 성과 무엇이 다른가
기존의 침습형 도파민 측정용 탐침은 구조적, 역학적인 한계로 인해 뇌에 삽입 시 뇌조직 손상이 상대적으로 크게 유발된다는 한계점이 있음. 기존 탐침은 뇌의 연조직과의 기계적 불일치(영률 차이)가 커서 삽입 영역에 지속적인 손상과 염증반응을 유발로 인해 동시에 장기간 사용의 어려움을 가지고 있음. 해당 문제점들을 해결하기 위해, 본 연구에서는 탐침 삽입에 의한 뇌 손상을 최소화함은 물론 센서로써의 뛰어난 성능을 가질 수 있도록 새로운 형태의 탐침을 설계 및 제작함.
어디에 쓸 수 있나
뇌 내 도파민 농도는 파킨슨병, 알츠하이머, 정신분열증과 같은 퇴행성 뇌질환과 깊은 연관이 있음. 본 연구를 통해 개발된 탐침 형태의 도파민 센서를 이용하여 뇌 내 도파민 농도를 실시간으로 정확하게 분석한다면, 정신질환을 가진 환자들의 진단 및 치료에 해당 데이터가 활용될 수 있음.
실용화까지 필요한 시간과 과제는
본 연구에서는 설치류의 뇌 속에 탐침을 삽입하여 실시간 도파민 농도 측정을 성공적으로 진행했음. 추후 해당 기술을 대동물, 더 나아가 영장류와 인간에게 적용할 수 있음을 실험을 통해 입증해야 하며, 뇌 속 삽입 시 탐침의 1년 이상 장기간 안정성에 대한 검증도 필요함.
연구를 시작한 계기는
당뇨, 고혈압 등의 만성적인 질병 환자들을 보조하는 전자약 기술은 현재 많은 연구가 진행되었고, 상용화된 전자약 보조 기구들도 시장에 출시되었음. 하지만 알츠하이머, 파킨슨병과 같은 퇴행성 뇌질환 환자의 맞춤형 보조 장치에 대한 연구는 아직까지 미비한 상태이며 빠른 연구 개발의 필요성이 대두되고 있음.
어떤 의미가 있는가
현대 의학 기술이 크게 발전하여 평균 수명도 함께 증가하고 있음. 수명의 증가와 함께 노화에 따른 뇌질환 환자 수도 증가하고 있으나 해당 질병을 보조할 수 있는 기술은 발전이 미비한 상태임. 본 연구는 뇌질환 환자들의 삶의 만족도를 증가시키고, 뇌질환 환자들에게 사용되고 있는 사회적 비용을 크게 경감시킬 수 있을 것으로 기대됨. 해당 기술이 비록 곧바로 상용화되기에는 아직 해결해야 할 몇 가지 이슈가 남아있으나, 본 연구에서 제시한 탐침 구조는 미래에 뇌질환 환자들을 위해 개발되는 탐침 구조의 기준이 될 수 있을 것으로 예상됨.
꼭 이루고 싶은 목표는
본 연구에서 제안된 탐침 구조가 추후 개발되는 뇌 삽입형 탐침 형태의 기반이 되어, 뇌질환 환자의 보조 및 치료를 위한 탐침 연구 개발에 큰 도움이 될 수 있기를 희망함.
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BRIC(ibric.org) Bio통신원(DGIST) 등록일2023.11.27