스킵네비게이션

○ 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. 제안하는 방법은 전극이나 시스템을 이식할 필요가 없고, 외부에서 조사된 빛으로 국소적인 신경자극이 가능하다. 향후 파킨슨병이나 간질과 같은 난치성 신경질환을 치료하기 위한 신경 보철장치에 활용되어 국내 의료기기 산업 발전에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

○ 강연 소개

- 본 강연에서는 우선 감각과 관련된 뇌신경질환을 전기 자극법을 이용하여 치료하는 기존 기술에 대해 소개한다. 청각 또는 시각을 상실한 사람이 감각을 되찾기 위해 남아있는 신경조직에 전극을 위치시키고 전류 또는 전압 자극을 통해 인위적으로 활동전위를 일으켜, 마치 실제로 보거나 듣는 것과 같은 효과가 나타나도록 유도한다. 이것은 신경세포 및 신경조직의 동작 매커니즘에 기반한 것으로 매우 우수한 감각 발현 효과가 있어 이미 병원에서는 상용화되어 환자에게 적용되고 있다. 이어서 치매, 간질 환자의 심뇌부에 전극을 삽입하고 자극을 인가하여 뇌활동을 조율하는 기술에 대해서 소개한다.

하지만 최근에 이러한 침습적인 전기 자극법의 한계를 극복하고자, 열에 의해 세포막 근처에서 유도되는 생물리적 변화를 이용하여 신경세포 또는 신경조직의 활동을 제어할 수 있다는 연구 결과가 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 반더빌트 대학 연구팀을 중심으로 적외선 펄스를 인가하여 적외선의 생체 내 흡수로 인해 발생하는 열을 이용하여 신경조직을 자극하는 연구가 수행되어 왔다. 그러나 이러한 기존 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 또한 확인하였다.

○ 연구팀 및 연구 소개

- 경희대학교 생체의공학과 변경민 교수 연구팀은 2013년부터 서울대학교 전기정보공학부 김성준 교수 연구팀 및 이화여자대학교 전자공학과 전상범 교수 연구팀과 함께 광파 및 초음파를 이용하여 비침습적으로 신경을 자극하고 제어하는 신경조율 기술을 공동으로 연구해 오고 있다. 신경세포의 표면에 나노입자를 붙이고 여기에 빛을 인가하여 광열효과로 인해 신경을 활성화 시키는 기술을 최초로 제안하였으며, 이후로 관련 연구를 계속 진행해 오고 있다.

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.