자기장은 MRI와 같이 질병 진단에 매우 중요한 수단이나, 치료에는 사용이 되지 않고 있다. 즉, 자기장을 이용하면 MRI와 같이 생체 신호를 읽기나 검색은 가능하나, 쓰기나 교정 기능은 불가능한 상태이다.

기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 나노의학 연구단 천진우 단장(연세대 교수)과 이재현 연구위원(연세대 고등과학원 교수) 연구팀은 자기장을 이용해 뇌의 운동신경을 무선 (wireless) 및 원격 (remote) 으로 정밀 제어하는‘나노 자기유전학(nano-magneto-genetics) 기술’을 개발했다.

연구진은 자기장에 감응하여 토크 힘 (5 pN (피코 뉴톤¹⁾))을 발생하는 ‘나노나침반’을 개발하였다. 나노나침반의 토크 힘은 뇌세포의 피에조-1 (Piezo-1) 이온 채널²⁾을 개방하여, 뇌신경 신호 전달이 가능하다. 살아있는 동물(쥐)의 경우 나노나침반을 우뇌의 운동 신경 부위에 주입한 후 자기장을 가했을 때, 칼슘 이온이 세포 내로 유입되어 원하는 부위의 운동 능력을 촉진하였다. 이에 따라 쥐의 왼발 운동신경이 활성화되어 반시계 방향으로 운동하며, 운동능력이 약 5배 향상했다. 즉, 나노나침반이 자기수용체 (magneto-receptor, 磁氣受容體)로 작용하여, 뇌세포의 활성 제어가 가능함이 살아 움직이는 동물에서 증명된 것이다.

연구진이 개발한 자기유전학 장치는 MRI장비와 같은 크기(중심지름 70 cm)에서도 구동이 가능하며 사람의 뇌나 전신에 25mT(밀리 테슬라³⁾)의 자기장을 전달할 수 있다. 자기장은 침투력이 높기 때문에 파킨슨병, 암과 같은 난치병 치료에 활용될 것으로 기대된다.

천진우 단장은 “나노 자기유전학은 원하는 세포를 유전공학으로 선택해 무선(wireless)·원격(remote)으로 뇌 활성을 제어하는 연구 플랫폼이 될 것”이라며 “뇌의 작동 원리 규명과 질환 치료 등 뇌과학의 새로운 지평을 열 것으로 기대한다”고 전했다.

이번 연구 결과는 국제학술지‘네이처 머티리얼스(Nature Materials)’에 1월 29일 01시(한국시간) 게재됐다.

[참고 동영상]

1. 기술 개요 동영상 : https://youtu.be/i5w4rRGHqIg
(다운로드: https://drive.google.com/file/d/1GntQJq-m8qeHx0hrJGJ4_eyIi3U1zNfr/view?usp=sharing)

2. 동물 행동 실험 동영상 : https://youtu.be/n-bHEIwAaJg
(다운로드: https://drive.google.com/file/d/1OjX-Kw9lBux_foymMBOKTKXJwcVNTSSG/view?usp=sharing)

그림설명

▲ 그림 1. 힘에 반응하는 이온 채널을 유전자 전달을 통해 세포에 생성한 후, 나노나침반과 자기장을 이용해서 세포의 활성을 조절하는 방법.1. 유전공학을 이용하여 원하는 뇌세포를 힘에 반응하는 이온 채널을 생성함.
2. 나노나침반을 주입함.
3. 회전자기장을 통해 나노나침반에 토크 힘을 전달
4. 이온채널 개방을 통해 뇌신경을 활성화함.

▲ 그림 2. 나노나침반과 토크 힘 발생 장치1. 나노나침반: 구형 (500nm)이고, 토크 힘을 생성하는 나침반 역할
2. 회전자기장 생성 장치: 균일한 자기장 (25mT) 생성이 가능한 원형 구조임.

▲ 그림 3. 자기유전학을 통한 뇌 신경 활성화1. 나노나침반은 뇌세포의 피에조-1 이온 채널을 개방하여, 칼슘 이온이 유입되고, 뇌세포 활성화 및 전기 신호를 생성.
2. 전기 신호는 뇌 신경을 따라 전달 됨.
3. 전달된 전기신호는 중추 신경계를 활성하고, 선택된 뇌세포의 종류와 위치에 따라 다양한 뇌의 활동 촉진이 가능함.

▲ 그림 4. 나노 자기유전학을 적용한 뇌 운동 신경 활성화 실험 예1. 피에조-1이 발현된 뇌세포 (운동 피질 부위)에 나노나침반을 주입.
2. 활성화된 뇌세포 신호(붉은색)
3. 우뇌 운동 피질 (M2 부위)에 나노나침반을 주입한 후 자기장을 가했을 때, 쥐는 왼발이 활성화되어 반시계 방향으로 운동을 하며, 대조군에 비해 평균 5배의 운동능력 향상을 보임. 반대로, 좌뇌 운동 피질을 자극 받은 쥐는 시계방향으로 운동 능력이 촉진됨.