말초신경계 기능 향상이 가능한 새로운 전자약 기반기술 개발
DGIST 뉴바이올로지학과 김민석 교수팀은 전기자극을 통해 말초신경계의 수초화를 향상시킬 수 있음을 연구를 통해 밝혀냈다. 이는 기존의 약물 치료법이 아닌 전기 자극으로 탈수초화 신경병증을 치료할 수 있는 새로운 가능성을 보여주었고, 추후 전자약의 형태로 개발을 가능할 것으로 기대된다.
말초 신경에서의 수초의 손실은 근육위축, 무감각, 발의 기형, 마비 등을 유발하며, 희귀 말초신경병증이 다양하게 존재하지만 현재까지도 확실한 치료 약물이 개발되지 못한 상태이다. 이에 김민석 교수 연구팀과 DGIST 웰에이징연구센터 이윤일 박사 연구팀은 마우스 배아의 배근신경절(DRG; dorsal root ganglion)을 모델로 사용하여 수초 형성과정 초기에 다양한 주파수의 전기 자극을 가하였고, 중기 및 성숙기에 수초형성을 평가하여 수초화 형성이 향상되는 최적의 전기 자극 조건을 발견하였다.
또한, 말초 탈수초성 신경병증의 흔한 이상 중 하나는 말초신경계의 지질 생합성 기능이 저하되었다는 점에 기인하여, 전기 자극이 지질 생합성에 관여하는 여러 유전자의 발현을 향상시킨다는 것을 리보핵산 시퀀싱을 통해 밝혔고, 수초막을 분석하여 전기 자극 후 수초 내 지질이 더욱 풍부해진다는 것을 확인하였다.
DGIST 뉴바이올로지학과 김민석 교수는 “특정 전기 자극이 수초화의 지질 생합성 기능을 향상시켜 수초 형성을 도울 수 있음을 처음으로 밝히고, 이에 최적화된 전기자극 조건을 확보했다는 것이 이번 연구의 핵심”이라며 “이와 같은 연구 성과는 현재 약물이 없는 난치질병으로 확장하여 말초 탈수초성 신경병증 치료를 위한 전자약 개발로 확장 가능할 것으로 기대한다.”고 말했다.
한편, 김민석 교수 연구팀의 이번 연구는 2017년 4월 삼성미래육성 센터사업(SRFC) 과제로 선정돼 연구가 이루어졌다. 연구결과는 지난 1월에 Biofabrication 온라인 판에 ‘An electroceutical approach enhances myelination via upregulation of lipid biosynthesis in the dorsal root ganglion’라는 제목으로 게재되었다.
연 구 결 과 개 요
An electroceutical approach enhances myelination via upregulation of lipid biosynthesis in the dorsal root ganglion(https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1758-5090/ac457c/meta)
Aseer Intisar, Woon-Hae Kim, Hyun Young Shin, Min Young Kim, Yu Seon Kim, Heejin Lim, Hyun Gyu Kang, Yun Jeoung Mo, Mohamed Aly Saad Aly, Yun-Il Lee and Minseok S Kim*
(Biofabrication, online published on 6th January, 2022)
수초는 신경 도약전도에 중요하기 때문에 말초 신경계(PNS)에서 수초의 손실은 탈수초 신경병증으로 이어져 근육 위축, 무감각, 발 기형 및 마비를 유발한다. 이전에 개발되던 약물은 심각한 부작용을 보여주고 임상시험에서 실패했기 때문에 이러한 신경병증에 사용할 수 있는 치료법은 현재 거의 없다. 따라서 PNS 수초화를 강화하기 위한 새로운 전략을 탐색하는 것은 이러한 난치성 질환에 대한 솔루션을 제공하는데 중요하다. 이 연구는 in vitro에서 쥐의 배근신경절(DRG)에서 수초화를 강화하기 위한 전기 자극(ES)의 효과를 확인하는 것을 목표로 하고 있으며 마우스 배아 DRG를 E13에서 추출하고 Matrigel 코팅 표면에 접종했다. 충분한 분화 이후 수초화 과정 초기에 1-100Hz 범위에서 ES를 적용하여 스크리닝을 수행했으며 DRG 수초화는 면역염색을 통해 평가되었고 추가 생화학적 분석은 중간 및 성숙한 수초화 단계 모두에서 리보핵산 시퀀싱, 정량적 중합효소 연쇄 반응 및 생화학적 분석을 활용하여 수행되었다. DRG 수초 지질의 이미징은 ToF-SIMS를 통해 수행하였고 최적 ES 조건이 20 Hz에서 확인되었으며, 이는 중간 및 성숙한 수초화 단계에서도 수초화 및 수초 길이 향상에 큰 영향을 보임을 확인하였다. 추가 생화학적 분석은 ES가 DRG에서 지질 생합성을 촉진한다는 것을 보여주고, ToF-SIMS 영상을 통해 수초막에서 구조적 지질, 콜레스테롤 및 스핑고미엘린이 더 풍부해짐을 확인하였다. 특정 ES 조건에서 지질 생합성의 촉진 및 수초 지질이 더 풍부해질 수 있음을 확인하였고, 이는 수초화 향상으로 이어졌다. 수초 지질 결핍이 탈수초화 말초신경병증의 주요 원인이라는 점을 감안할 때, 본 결과는 특정 조건의 전자약을 통해 난치성 말초신경질병을 치료할 수 있는 가능성을 보여준다.
연 구 결 과 문 답
이번 성과 무엇이 다른가
샤르코-마리-투스 질환, 길랑-바레 증후군, 만성 염증성 탈수초성 다발신경병증 등 대부분의 말초 탈수초성 신경병증은 현재 치료가 어려운 상황이다. 개발되고 있는 치료법은 잠재적인 전신 부작용이 있을 수 있는 약물치료 등에 국한되었으나 본 연구진은 전기 자극을 통해 말초신경의 수초 형성을 강화하는 새로운 방법을 찾았다는 것이 큰 성과라 할 수 있다.
어디에 쓸 수 있나
본 연구는 말초 탈수초성 신경병증에 있어서 기존의 약물 치료법에서 벗어나 새로운 전자약 형태의 의료기술이 개발될 수 있을 것으로 기대한다.
실용화까지 필요한 시간과 과제는
말초 탈수초성 신경병증에 대한 전자약의 임상 활용은 생체적합성이 뛰어난 소형 디바이스의 개발에 의존적일 것이라 생각한다. 최근에는 ‘neurotech revolution’의 출현으로 혁신적인 신경조절 인터페이스의 개발이 활발하며 이를 통해 머지않은 미래에 실현시킬 수 있다고 보인다.
연구를 시작한 계기는
말초 탈수초성 신경병증은 발병률이 높고 그로 인한 삶의 질 저하가 매우 심각함에도 불구하고, 중추신경계와 비교하여 연구가 활발하지 못하다고 생각되었고, 대부분이 생화학적 방법에 국한되는 것에 아쉬움이 있었다. 본 연구에서는 신경계가 일종의 전기자극을 언어처럼 이용하여 통신한다는 것을 활용, 패러다임을 전환하는 접근방식을 도입했다.
어떤 의미가 있는가
이번 연구를 통해 물리적 자극을 통해 말초신경의 수초화가 향상되는 것을 입증하여 전신 부작용의 우려가 있는 생화학적 약물에만 의존할 필요가 없음을 확인하였다. 치료 약물이 없어 많은 환우들이 고통받고 있는 난치질병에 새로운 치료의 가능성을 보였다는 점이 큰 의미라고 생각한다.
꼭 이루고 싶은 목표는
본 연구의 확장으로 대표적인 난치성 말초신경질병을 모델로 하여 전기자극을 통한 치료의 가능성을 모색하고 있으며 손상된 수초들이 다시 수초화 되는 메커니즘을 규명하기 위하여 연구에 박차를 가하고 있고 가능성을 확인하고 있다. 궁극적으로는 약이 없어 고생하고 있는 많은 환우들의 질병을 완화시킬 수 있는 치료법을 개발하는 것을 목표로 한다.
의학약학 DGIST (2022-03-21)