전 세계 천만 명 파킨슨병 환자들에게 희소식이 전해졌다. 두개골에 구멍을 뚫어 뇌 깊숙이 전극을 삽입해야 하는 수술 대신 비침습적이면서 무선으로 뇌 신경세포를 활성화해 파킨슨병 증상을 완화할 수 있는 새로운 치료법이 제시됐다.

기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 나노의학 연구단 천진우 단장(연세대 언더우드 특훈교수)과 곽민석 연구위원(연세대 고등과학원 교수) 연구팀은 자기장을 이용해 뇌 심부의 신경세포를 활성화해 파킨슨병의 효과적인 치료가 가능한 ‘나노-자기유전학 기반 뇌심부자극술(Magneto-mechanical-genetic-driven Deep Brain Stimulation)’을 개발했다.

파킨슨병은 퇴행성 뇌 질환의 일종으로, 운동 조절에 중요한 역할을 하는 도파민 신경세포가 사멸되며 몸의 떨림과 경직, 자세 불안정 등 운동 장애 증상이 나타난다. 현대 고령화 사회에서 환자 수가 급격히 증가하고 있으나 근본적인 치료제는 없다. 약물요법으로 일상생활이 어려운 중증 환자의 경우 증상 완화를 목적으로 외과적 수술인 DBS(뇌심부자극술)를 시도한다.

DBS는 뇌 심부에 전극을 심고 흉부 피하에 설치되는 자극 발생기를 통해 뇌에 전기자극을 주는 방식으로, 신경세포 간의 신호를 조절하여 파킨슨병의 증상을 완화할 수 있다. 그러나 외과적 수술을 통해 전극을 뇌 깊숙이 삽입시켜야 하기에 뇌출혈 및 조직 손상과 같은 심각한 부작용이 발생할 수 있다. 또한 전기자극이 가해지는 동안에만 치료 효과가 유지된다는 단점이 있다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하고자 이전 연구에서 개발한 나노-자기유전학 기술을 DBS에 적용하는 방법을 고안했다. 나노-자기유전학은 자기장을 이용해 뇌의 특정 신경세포를 무선으로 활성화해 뇌 기능을 제어할 수 있는 기술이다.

우선, 뇌 심부에 자성을 띠는 나노 크기의 입자를 주입한다. 이 자성나노입자는 특정 자기장에 감응해 약 2 pN(피코 뉴턴¹⁾) 크기의 힘을 발생시킨다. 자기유전학 장치를 이용해 자기장 자극을 주면 자성나노입자가 특정 신경세포 표면에 붙어서 피에조-1(Piezo-1)²⁾ 이온 채널을 개방해 신경세포의 활성화를 유도하게 된다. 자기유전학 장치는 MRI 장비와 비슷한 크기(중심 지름 70cm)에서 구동할 수 있어 사람의 뇌 심부까지 비침습적으로 자기장 자극을 전달할 수 있다.

운동 장애를 가진 파킨슨 쥐에 이 기술을 적용해 자기장 자극을 주었더니 뇌 특정 영역인 시상하핵(Subthalamic Nucleus, STN)³⁾ 신경세포가 10배 이상 활성화되었다. 또한, 균형감각과 운동성이 약 2배 이상 향상되어 정상에 가까운 운동 능력을 보여준 것을 확인했다. 더 나아가, 2주간 매일 반복해서 자극을 받은 파킨슨 쥐는 자극을 중단한 24시간 후에도 회복된 운동 능력이 약 35퍼센트 유지되었다. 전기자극이 가해지는 동안에만 치료 효과가 유지되는 기존 DBS 방식과는 달리, 나노-자기유전학 기반 DBS는 치료 효과가 지속됨을 확인한 것이다.

천진우 단장은 “나노-자기유전학을 활용하면 기존 DBS 방식보다 비침습적이고 정밀하게 신경세포를 자극하여 파킨슨병 증상을 완화하는 치료가 가능함을 보여주었다”라며 “파킨슨병뿐 아니라 뇌전증, 알츠하이머병 등 다양한 신경 질환 연구 및 치료에 활용될 것으로 기대한다”라고 전했다.

이번 연구 결과는 국제학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters, IF 12.262)'에 1월 10일(한국시간) 게재됐다.

그림 설명

[그림1] 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.

[그림2] 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.

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IBS 홍보팀
김규형

1) 피코 뉴턴(pico-newton) : 피코(pico)는 10-12을 나타내는 접두어로서, 피코 뉴턴은 1뉴턴(1N)의 1조분의 1에 해당하는 힘

2) 피에조-1: 약 1-5 pN 세기의 힘에 감응하여 열림으로써 세포 내부 이온 농도를 조절하는 막 단백질

3) 시상하핵(Subthalamic Nucleus, STN): 대뇌반구와 중뇌 사이에 위치한 핵으로, 운동 제어와 기타 뇌 기능에서 중요한 역할을 하는 부분