고등과학원 연구팀, 나노-자기유전학 기술 적용한 파킨슨병 치료법 개발

균형 감각과 운동성 약 2배 이상 향상 … 반복 치료 시 효과 지속

[사진. (왼쪽부터) 천진우 교수, 곽민석 교수, 신욱진 박사]

고등과학원 천진우 원장(화학과, IBS 나노의학연구단장)과 곽민석 교수 연구팀은 자기장을 이용해 뇌 심부의 신경세포를 활성화해 파킨슨병의 효과적인 치료가 가능한 ‘나노-자기유전학 기반 뇌 심부 자극술(Magneto-mechanical-genetic-driven Deep Brain Stimulation)’을 개발했다.

이는 두개골에 구멍을 뚫어 뇌 깊숙이 전극을 삽입해야 하는 수술 대신 비침습적이면서 무선으로 뇌 신경세포를 활성화해 파킨슨병 증상을 완화할 수 있는 새로운 치료법으로, 전 세계 천만 명 파킨슨병 환자들에게 희소식이 될 것으로 기대된다.

파킨슨병은 퇴행성 뇌 질환의 일종으로, 운동 조절에 중요한 역할을 하는 도파민 신경세포가 사멸되며 몸의 떨림과 경직, 자세 불안정 등 운동 장애 증상이 나타난다. 현대 고령화 사회에서 환자 수가 급격히 증가하고 있으나 근본적인 치료제는 없다. 약물 요법으로 일상생활이 어려운 중증 환자의 경우 증상 완화를 목적으로 외과적 수술인 뇌 심부 자극술(이하 DBS)을 시도한다.

DBS는 뇌 심부에 전극을 심고 흉부 피하에 설치되는 자극 발생기를 통해 뇌에 전기 자극을 주는 방식으로, 신경세포 간 신호를 조절해 파킨슨병 증상을 완화할 수 있다. 그러나 외과적 수술을 통해 전극을 뇌 깊숙이 삽입시켜야 하기에 뇌출혈 및 조직 손상과 같은 심각한 부작용이 발생할 수 있다. 또한 전기 자극이 가해지는 동안에만 치료 효과가 유지된다는 단점이 있다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하고자 이전 연구에서 개발한 나노-자기유전학 기술을 DBS에 적용하는 방법을 고안했다. 나노-자기유전학은 자기장을 이용해 뇌의 특정 신경세포를 무선으로 활성화해 뇌 기능을 제어할 수 있는 기술이다.

우선, 뇌 심부에 자성을 띠는 나노 크기의 입자를 주입한다. 이 자성 나노 입자는 특정 자기장에 감응해 약 2pN(피코 뉴턴) 크기의 힘을 발생시킨다. 자기유전학 장치를 이용해 자기장 자극을 주면 자성 나노 입자가 특정 신경세포 표면에 붙어서 피에조-1(Piezo-1) 이온 채널을 개방해 신경세포의 활성화를 유도하게 된다. 자기유전학 장치는 MRI 장비와 비슷한 크기(중심 지름 70cm)에서 구동할 수 있어 사람의 뇌 심부까지 비침습적으로 자기장 자극을 전달할 수 있다.

운동 장애를 가진 파킨슨 쥐에 이 기술을 적용해 자기장 자극을 줬더니 뇌 특정 영역인 시상하핵(Subthalamic Nucleus, STN) 신경세포가 10배 이상 활성화됐다. 또한, 균형 감각과 운동성이 약 2배 이상 향상돼 정상에 가까운 운동 능력을 보여 준 것을 확인했다. 더 나아가, 2주간 매일 반복해서 자극을 받은 파킨슨 쥐는 자극을 중단한 24시간 후에도 회복된 운동 능력이 약 35퍼센트 유지됐다. 전기 자극이 가해지는 동안에만 치료 효과가 유지되는 기존 DBS 방식과는 달리, 나노-자기유전학 기반 DBS는 치료 효과가 지속됨을 확인한 것이다.

고등과학원 천진우 원장은 “나노-자기유전학을 활용하면 기존 DBS 방식보다 비침습적이고 정밀하게 신경세포를 자극해 파킨슨병 증상을 완화하는 치료가 가능함을 보여 줬다.”며 “파킨슨병뿐 아니라 뇌전증, 알츠하이머병 등 다양한 신경 질환 연구 및 치료에 활용될 것으로 기대한다.”고 전했다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters, IF 12.262)’에 1월 10일(한국시간) 게재됐다.

한편, 고등과학원은 세계 최고 수준의 기초 과학 연구와 교육을 목표로 나노의학 융합 연구를 수행하며 100년을 바라보는 세계 초일류 수준의 대학 내 기초과학연구소를 지향한다. 고등과학원은 융합 분야의 퍼스트 무버(First Mover) 및 빅 사이언스(Big Science) 창출을 목표로 하며 나노과학과 의학을 융합한 나노바이오메디컬엔지니어링 전공을 통해 미래 과학을 선점하는 데 기여하고 있다.

논문정보

● 논문제목: Nanoscale Magneto-mechanical-genetics of Deep Brain Neurons Reversing Motor Deficits in Parkinsonian Mice

● 논문주소: https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c03899