생체 내에서 일산화질소(NO)‧일산화탄소(CO)를 각각 분리해 동시에 측정할 수 있는 초소형 NO/CO 측정 센서를 우리 연구진이 세계 최초로 개발했다.

기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 뇌과학 이미징 연구단(단장 김성기 성균관대 교수)의 서민아 연구위원(성균관대 교수)‧이영미 연구위원(이화여대 교수) 연구진은 자체 개발한 초소형 NO/CO 측정 센서를 활용, 쥐의 간질 발작 시 그 두뇌에서 나타나는 NO/CO 각각의 농도 변화를 실시간으로 정확히 측정하는 데 성공했다.

연구진이 개발한 초소형 NO/CO 측정 센서는 NO와 CO의 완벽한 분리 측정이 가능함은 물론, 기존 센서보다 높은 정확도와 빠른 측정 속도를 지원하며, 전극을 유리로 절연된 바늘 형태로 초소형화해 활용도를 높였다.
NO와 CO는 혈관확장, 신경 전달 등에 관여하는 신경‧혈관계의 중요한 신호전달물질이다. 우리 몸에서 NO와 CO가 제대로 생성되고 작용하지 않는다면, 신경․혈관계 이상이 생겨 뇌졸중, 간질과 같은 뇌 질환이 발생할 수 있다.
그동안 NO와 CO간의 화학적‧생물학적 유사성 때문에 각각의 분리 측정이 어려워 관련 연구가 제한돼 왔다.
이에 연구진은 전류 측정 기법을 기반으로 한 전기화학 센서에서 전극 표면의 금속과 코팅막의 종류에 따라 측정대상물질의 산화 반응 패턴이 달라짐에 착안했다. 백금 전극 표면에 NO 센서에는 흑백금(platinum black, 검은색을 띠는 미세한 백금 분말), CO 센서에는 금을 도금하고 불소계 겔성분의 코팅막을 입혀, NO와 CO의 독립적인 측정이 가능해졌다.

연구진은 측정 센서를 쥐의 살아있는 두뇌 조직에 직접 삽입, 해당 부위에 간질 발작을 유도하고 NO/CO 농도와 뇌파(LFP, Local Field Potential) 변화를 실시간으로 측정했다. 그 결과 NO와 CO 농도의 변화 패턴은 뇌파의 변화와 일치했고, 이를 통해 NO/CO 기체가 뇌신경세포의 활성과 밀접한 관련이 있음을 확인했다.

이번 연구를 주도한 서민아 연구위원은 “새로운 센서는 뇌신경·혈관계에서 일산화질소·일산화탄소 기체의 실시간 변화를 정확히 측정, 두 기체의 역할과 상호작용을 밝혀내는데 기여할 것”이라며 “특히 간질 등 뇌신경질환에서 두 기체가 관여하는 신경계와 혈관계의 상호 작용을 파악해 치료법을 찾을 기회를 제공할 것”이라고 말했다.
이번 연구결과는 분석화학 분야 세계적 학술지인 분석화학(Analytical Chemistry, IF 5.636) 온라인판 2월 8일자에 게재되었다.

▲ 일산화질소/일산화탄소 센서 제작 과정

▲ (좌) 쥐의 대뇌 피질에 센서를 위치시킨 모식도 / (우) 뇌파 변화와 일산화질소, 일산화탄소의 농도 변화 그래프