- 특정 세포에 최적화된 기계적 자극으로 신경 재생 활용 입증한 세계 최초 연구
- 서울대 의대와의 융복합 연구로 신경외과 치료 프로토콜 확장 가능성 제시
▲ (좌측부터) 서울대 공과대학 여재익 교수, 서울대 의과대학 최형진 교수, 서울대 공과대학 함휘찬 박사, 서울대학교 의과대학 김규식 박사과정
서울대학교 공과대학은 항공우주공학과 여재익 교수 연구팀이 서울대 의과대학 최형진 교수팀과 함께 절개 수술 없이 뇌질환을 안전하게 치료할 수 있는 비침습적 미세 충격파 전자약을 개발했다고 밝혔다.
이번 연구 성과는 지난 9월 1일 뇌신경 자극 분야 국제 대표 학술지인 ‘브레인 스티뮬레이션(Brain Stimulation)’에 게재됐다.
뇌에 금속 전극을 삽입해 전기적 자극을 주는 침습적 방식으로 이뤄진 기존의 뇌질환 치료법은 높은 출혈 및 감염 위험이 수반됐다. 따라서 그 대안으로 수술을 거치지 않는 비침습적 치료법이 개발됐지만, 이 방법은 치료가 필요한 뇌 속 깊은 부위에 선택적으로 정확한 자극을 전달하기 어려울 뿐 아니라, 그 자극이 뇌 손상을 일으키지 않는 범위가 제한적이라는 한계가 있었다. 또한 뇌질환 치료 시, 뇌 신경 재생을 최적화할 수 있는 신호에 대한 연구도 부족한 실정이었다.
이러한 문제의식에 따라 의대-공대 공동 연구팀이 학제 간 융복합 연구를 통해 해결책을 강구한 결과, 뇌 절개 수술 없이 안전하게 뇌 신경 재생을 유도하면서 신경 활성화에 최적화된 파형(wave form)으로 뇌를 자극하는 미체 충격파 전자약을 개발했다. 실제 생체를 대상으로 한 본 연구는 이 전자약을 이용해 기억 능력을 담당하는 뇌 심부의 시상하부 및 해마에 국소적으로 신호를 가하는 방식으로 진행됐다. 이 과정에서 해당 부위의 뉴런 활성화, 신경 재생 효과, 행동을 평가함으로써 전자약의 효능을 검증했다.
그 결과, 전자약을 치료에 적용한 실험군은 대조군에 비해 통계적으로 유의미한 뇌 신경 재생 효과를 보였다. (하단 자료 1, 2 참조) 또한 실험이 의도한 국소적인 뇌 부위에만 전자약이 전달되었음을 확인했다. (자료 3 참조) 더불어 전자약이 전달된 뇌 부위에 별다른 세포 사멸이 발생하지 않고, 전자약이 다른 뇌 부위에 영향을 주지 않는 사실을 확인함으로써 기존 비침습적 치료법의 부작용을 최소화할 수 있는 혁신성을 입증했다.
- ①비침습 자극 : 수술이나 절개 없이 분화, 확산, 재생 등의 뇌세포 신호 유도 가능
- ②부위별 선택적 자극 : 치료를 원하는 뇌 부위에만 자극이 전달되도록 자극 집중 가능
- ③뇌 질환별 최적 자극 : 각 뇌 부위의 세포 특성에 따라 최적의 외부 자극 형태를 도출해 각 부위별 질환 치료 가능
- -예시(좌) : 전전두엽 세포에서 재생, 확산, 분화 등의 신호를 유도하는 최적화된 자극 파형을 임상적으로 도출해 전전두엽 이상의 치료에 적용
- -(좌측) 압력파형 1 : 압력파형 1의 자극을 받고 활성화가 된 뇌 뉴런의 모습
활성화된 뉴런은 흰색 점의 형태를 보임 - -(중간) 압력파형 2 : 압력파형 2의 자극을 받았으나 오히려 뉴런 활성화가 감소된 모습
압력파형에 따라 뉴런의 활성화 정도를 조절할 수 있다는 것을 확인함 - -(우측) 대조군 ： 자극을 가하지 않은 뇌 조직의 활성화 모습, 압력파형 1보다 활성화 정도가 적고
압력 파형 2보다는 활성화 정도가 높음
- -(좌측) 원하는 부위에만 선택적으로 뉴런을 활성화시킨 뇌 : 생리작용 조절을 관장하는 시상하부 부분만 조준하여 자극을 가한 후, 선택적으로 활성화된 뉴런이 분포한 모습 (적색 부분이 활성화된 뉴런 구역)
- -(우측) 자극하지 않은 뇌 : 자극을 가하지 않은 뇌의 뉴런 활성화 정도를 가시화한 모습 (변화 없음)
이 연구가 제시한 미세 충격파형 전자약은 뇌를 직접 절개하는 기존 침습적 뇌질환 치료법의 위험성을 크게 낮추면서 안전하게 뇌를 자극하는 비침습적 치료의 새 지평을 개척했다는 점에서 학계의 주목을 받고 있다. 특히 치료를 원하는 뇌 부위를 선택적으로 자극할 수 있어 기존 비침습적 치료법의 약점을 극복했을 뿐 아니라, 뇌 기능에 부정적 영향을 미치지 않으면서 세포 분화, 확산, 자멸 등 다양한 뇌세포 신호를 유도할 수 있어 뇌질환 치료의 새 시대를 열었다는 평가를 받고 있다.
본 연구를 지도한 여재익 교수는 "이 연구는 특정 세포에 최적화된 고유한 기계적 자극을 신경 재생에 활용할 수 있음을 입증한 세계 최초의 연구이기 때문에 더욱 의미가 깊다“고 강조하며 ”이번 신시장 발굴 연구를 통해 앞으로 여러 신경 분야 과학자들과 협력해 새롭고 안전한 뇌질환 치료 프로토콜을 무한히 확장할 수 있을 것"이라고 밝혔다. 함께 연구를 지도한 최형진 교수는 "이번 연구가 구체적으로 질병 모델이나 기억력 향상 등을 보여준 것은 아니지만 치매, 파킨슨, 우울증, 중독, 강박증, 비만 등 뇌와 관련된 질병 치료의 희망을 보여준 만큼 신경외과 분야에서 다양한 치료 프로토콜을 개발할 수 있는 새로운 길이 열릴 것으로 기대된다"고 밝혔다.
한편 이번 논문의 주 저자인 함휘찬 박사는 연구 지도 교수인 여재익 교수의 고에너지응용연구실에서 ‘비침습적 약물전달을 위한 파동 액추에이터 개발과 적용’을 주제로 한 논문으로 박사학위를 취득한 이후, 여 교수가 설립한 스타트업 ‘바즈바이오메딕’에서 7년째 비침습 약물 전달 의료기기 개발 사업에 참여하고 있다. 다른 주 저자인 김규식 박사과정 학생은 연구 지도 교수 최형진 교수의 대사조절 기능신경해부학 연구실에서 ‘시상하부의 신경회로 메커니즘’을 연구 주제로 박사과정을 수행하고 있다.
[문의사항]
서울대학교 항공우주공학과 여재익 교수 / 02-880-9334 / jjyoh@snu.ac.kr
서울대학교 항공우주공학과 함휘찬 연구원 / hamn2012@snu.ac.kr