이제는 무선으로, ‘나노-자기유전학’ 기반 파킨슨병 치료법 개발

파킨슨병 치료에 새로운 희망이 나타났다. 기초과학연구원 연구팀은 '나노-자기유전학' 기술을 활용해 두개골을 뚫지 않고 무선으로 뇌 심부를 자극하는 파킨슨병 치료법을 개발했다. 쥐 실험에서 운동 능력이 2배 이상 향상되고 반복 치료 시 효과가 지속되는 것으로 나타났다.

 

 

희망의 신호, 두뇌 자극으로 증상 완화

 

전 세계 천만 명의 파킨슨병 환자들에게 희소식이 전해졌다. 기초과학연구원(IBS) 나노의학 연구단 천진우 단장(연세대 언더우드 특훈교수)과 곽민석 연구위원(연세대 고등과학원 교수) 연구팀은 '나노-자기유전학' 기술을 활용해 두개골을 뚫지 않고 무선으로 뇌 심부를 자극하여 파킨슨병 증상을 완화하는 새로운 치료법을 개발했다. 이번 연구는 국제학술지 '나노 레터스(Nano Letters)'에 게재되어 학계의 주목을 받고 있다.

 

두개골 뚫지 않고, 뇌출혈 위험 없이! 쥐 실험에서 운동 능력 2배 이상 향상

 

기존 DBS(뇌심부자극술)는 뇌 심부에 전극을 심고 흉부 피하에 설치되는 자극 발생기를 통해 전기자극을 주는 방식으로, 파킨슨병 증상을 완화하는 데 효과적이었다. 하지만 두개골을 뚫는 수술 과정에서 뇌출혈 및 조직 손상 등의 부작용이 발생할 수 있다는 단점이 있었다.

'나노-자기유전학' 기반 치료법은 이러한 단점을 극복한다. 우선 뇌 심부에 자성을 띠는 나노 크기의 입자를 주입한다. 이후 자기유전학 장치를 이용해 특정 자기장 자극을 주면, 나노 입자가 특정 신경세포 표면에 붙어 피에조-1 이온 채널을 개방하여 신경세포를 활성화한다. 이 과정을 통해 뇌 심부 자극을 수술 없이 무선으로 수행할 수 있다.

 

▲ 나노-자기유전학 기반 DBS(뇌심부자극술)

1. 뇌 특정 지역인 시상하핵(Subthalamic Nucleus) 신경세포에 유전 공학을 통해 발현된 피에조-1 이온 채널에 자성나노입자가 결합한다. 자기장 자극을 가하면 자성나노입자가 토크 힘을 발생시켜 피에조-1 이온 채널을 연다. 이는 칼슘 이온의 유입과 신경세포 활성화로 이어진다.
2. 나노-자기유전학에 사용되는 회전 자기장 생성 장치의 실제 사진 (좌) 및 자기장 시뮬레이션 (우). 넓은 영역에 생성되는 균일한 25 mT 자기장을 회전시켜서 살아 있는 동물의 뇌 속에 주입된 자성나노입자의 회전에 의한 토크 힘 발생을 유도한다. 넓은 영역에서 동물이 물리적 제약 없이 자유롭게 행동하며 자기장 자극을 받을 수 있다.

 

반복 치료 시 효과 지속! 획기적인 기술, 뇌 질환 치료의 새로운 지평 열다

 

쥐 실험 결과: 운동 능력 2배 이상 향상, 반복 치료 효과 지속

연구팀은 운동 장애를 가진 파킨슨 쥐에 '나노-자기유전학' 기반 치료법을 적용하여 자기장 자극을 주었다. 그 결과, 뇌 특정 영역인 시상하핵(STN) 신경세포가 10배 이상 활성화되었고, 균형감각과 운동성이 약 2배 이상 향상되어 정상에 가까운 운동 능력을 보여주었다. 더욱 놀라운 것은 2주간 매일 반복해서 자극을 받은 파킨슨 쥐는 자극을 중단한 24시간 후에도 회복된 운동 능력이 약 35% 유지되었다는 점이다. 기존 DBS 방식은 자극이 가해지는 동안에만 효과가 유지되는 반면, '나노-자기유전학' 기반 치료법은 반복 치료 시 효과가 지속되는 장점을 보여주었다.

뇌 질환 치료의 새로운 지평: 파킨슨병뿐 아니라 다양한 뇌 질환 치료에 활용 가능

천진우 단장은 "나노-자기유전학을 활용하면 기존 DBS 방식보다 비침습적이고 정밀하게 신경세포를 자극하여 파킨슨병 증상을 완화하는 치료가 가능함을 보여주었다"라고 강조하며 "파킨슨병뿐 아니라 뇌전증, 알츠하이머병 등 다양한 신경 질환 연구 및 치료에 활용될 것으로 기대한다"라고 전했다. '나노-자기유전학' 기술은 뇌 질환 치료의 새로운 지평을 열 것으로 기대된다.

 

▲ 나노-자기유전학을 이용한 DBS의 파킨슨병 운동 장애 치료 효과

1. 나노-자기유전학 DBS에 의한 뇌 심부 시상하핵(Subthalamic Nucleus) 지역의 신경세포 활성화 증가. 자기장 자극에 의해 나노입자가 전달한 힘이 피에조-1을 열고 신경세포의 활동을 증가시켜 핵 내 c-Fos 신호를 증가시킴.
2. 파킨슨 쥐는 운동성 장애가 있어 움직임이 적음. 나노-자기유전학 DBS 치료를 받은 파킨슨 쥐는 정상 쥐와 비슷한 수준의 활발한 움직임을 보임.

나노-자기유전학 기술의 핵심 원리 및 장점 요약

핵심 원리: 자성 나노 입자와 자기장 자극을 이용하여 뇌 심부 신경세포를 무선으로 활성화

장점

• 비침습적: 두개골 수술 없이 뇌 심부 자극 가능
• 정밀한 자극: 특정 신경세포 선택적 활성화 가능
• 지속적인 효과: 반복 치료 시 효과 지속
• 다양한 뇌 질환 치료 가능성

 

 

나노-자기유전학 기술의 임상 적용 및 사회적 영향

임상 적용

• 안전성 및 효능 검증을 위한 임상 시험 진행 필요
• 5년 내 임상 적용 목표

사회적 영향

• 파킨슨병 환자들의 삶의 질 향상
• 뇌 질환 치료 분야 혁신
• 의료 기술 발전 및 사회 경제적 효과 기대

 

나노-자기유전학 기술의 미래 전망

 

'나노-자기유전학' 기술은 뇌 질환 치료뿐 아니라 다양한 분야에서 활용될 가능성이 높다. 향후 연구를 통해 뇌-컴퓨터 인터페이스, 인공 감각, 인지 능력 향상 등의 분야에도 적용될 수 있을 것으로 기대된다. '나노-자기유전학' 기술은 인간의 삶을 변화시킬 잠재력을 가진 획기적인 기술이다.

'나노-자기유전학' 기술은 파킨슨병 치료뿐 아니라 뇌 질환 치료 분야 전반에 혁신을 가져올 것으로 기대된다. 앞으로 임상 시험을 통해 안전성과 효능을 검증하고 다양한 뇌 질환 치료에 적용될 수 있도록 연구를 지속해야 한다. '나노-자기유전학' 기술은 인간의 삶을 변화시킬 잠재력을 가진 획기적인 기술이다.

 

 

연구 추가 설명

논문/저널/저자

 

Nanoscale Magneto-mechanical-genetics of Deep Brain Neurons Reversing Motor Deficits in Parkinsonian Mice/ Nano Letters (2024)
신욱진, 이영도, 임주은, 이유빈, 나정수, 이소민, 이정욱, 류리, 이필휴, 이재현, 곽민석(공동교신저자), 천진우(공동교신저자)

연구내용 보충설명

1. 자기유전학 (Magneto-mechanical-genetics)
자기유전학은 자성나노입자로 역학적 힘에 감응하는 이온 채널을 활성화할 수 있는 기술이다. 이 기술의 작동원리는 회전 자기장 자극으로 자성나노입자는 토크 힘(torque force)을 생성하고, 토크 힘을 감응하는 피에조-1 이온 채널이 활성화됨으로써 뇌세포 활성을 유도하는 것이다. 이 기술은 피에조-1 이온 채널에 국한되지 않고 다양한 기능을 가진 이온 채널에 활용될 수 있다.

2. 파킨슨병과 뇌심부자극술 (Deep Brain Stimulation)
뇌심부자극술은 현재 파킨슨병 환자 치료법으로 널리 사용되고 있다. 특히, 말기 파킨슨병 환자 중에서 약물치료에 더는 호전적인 효과가 없는 경우나 부작용이 심한 경우 뇌심부자극술이 시행되고 있다. 뇌심부자극술은 두개골에 구멍을 뚫고 뇌심부핵에 전극을 삽입하고, 쇄골 아래 혹은 겨드랑이 쪽 피부를 절개하고 대흉근 뒤에 자극 발생기를 삽입하여 지속적인 고주파 전기자극을 전달하여 뇌세포 활성을 유도한다. 

연구 이야기

[연구 배경]
나노의학연구단의 선행 연구에서 토크 힘을 발생할 수 있는 새로운 자성나노입자를 이용하여 살아 있는 쥐 행동 조절이 가능함을 보임으로써 자기유전학 기술을 처음 소개한 바 있다. 연구진은 자기유전학 기술을 대표적인 뇌 질환인 파킨슨병 치료에 적용하고자 하였고, 현재 파킨슨병 치료법과 종전 기술이 갖는 한계를 극복하고 뛰어난 치료 효과에 대해 기대하고 연구를 진행하였다.

전통적인 뇌심부자극술(Deep Brain Stimulation, DBS)은 침투적이고 만성적으로 전극을 이식해야 하는데, 이는 하드웨어 고장, 뇌출혈 및 일상 활동 중 조직 손상의 위험을 수반한다. 적은 침투력을 필요로 하는 DBS 방법(예: 경두개 자기자극, 경두개 직류전기자극, 초음파)은 공간 해상도와 침투 깊이에서 제한을 겪고 있다.

광유전학(Optogenetics)은 신경 활동의 세포 특이성과 시공간 제어를 제공하는 강력한 기술이지만, 광섬유 이식이 필요한 제약이 있다. 하지만 자기유전학은 해부학적 및 세포 특이성을 갖춘 전극이나 광섬유 이식 없이 뇌 심부 자극이 가능한 장점이 있다.

[연구 과정]
연구진은 25nm 크기의 자성나노입자를 합성하고 200nm 원형 지지체 표면에 단층으로 결합하고, 클릭 결합(click reaction)을 통해 이온 채널에 발현하고 있는 태그(tag)에 결합할 수 있는 항체를 결합하였다.

이 항체를 통해 세포막에 발현하는 피에조-1 이온 채널에 특이적 타겟팅이 가능하다. 이렇게 합성된 자성나노입자를 파킨슨 모델 쥐 뇌심부핵에 삽입하여 하루 30분씩 2주일간 회전 자기장 자극하여 파킨슨병의 대표적인 증상인 운동성 저하 현상이 얼마나 회복되는지에 대한 치료 효과를 확인하였다.

또한, 2주간 연속적인 자기장 자극을 받은 후 24시간 동안 운동 능력을 확인하여 지속하는 치료 효과를 확인하였다.

[성과 차별점] 
자기유전학은 최소 침투와 무선 방식으로, 기존 뇌심부자극술과 광유전학 기술이 갖는 만성적인 하드웨어 이식 문제를 극복하였다. 또한, 해부학 및 세포 특이적 피에조-1 이온 채널 발현과 자성나노입자 삽입을 통해 경두개 자기자극, 경두개 직류전기자극, 초음파 기술의 제한된 대상 특이성 문제를 극복하였다.

경두개 자기자극, 경두개 직류전기자극, 광유전학이 갖는 침투 깊이 제한의 문제를 자기장의 특성을 이용하여 뇌 심부 조직에 자극을 가할 수 있다. 광유전학과 초음파 기술은 열 발생에 의한 세포 사멸이 생길 수 있어서 장기적이고 반복적 자극이 불가능하나 자기유전학 기술은 자기-역학적 메커니즘으로 이를 극복할 수 있다.

[향후 연구계획]
자기유전학 기술을 다른 뇌신경 질환인 알츠하이머병 또는 뇌전증에 적용하여 치료 효과를 확인하고자 한다.

 

 

출처 : 기초과학연구원

 

 

▲ 동물 운동성 및 균형감각 실험 동영상