균형감각과 운동성 약 2배 이상 향상…반복 치료 시 효과 지속
전 세계 천만 명 파킨슨병 환자에게 희소식이 전해졌다.
두개골에 구멍을 뚫어 뇌 깊숙이 전극을 삽입해야 하는 수술 대신 비침습적이면서 무선으로 뇌 신경세포를 활성화해 파킨슨병 증상을 완화하는 새로운 치료법이 제시됐다.
천진우 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 나노의학 연구단장과 곽민석 연구위원 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 삽입해야 하기에 뇌출혈 및 조직 손상과 같은 심각한 부작용이 발생할 수 있다. 또한 전기자극이 가해지는 동안에만 치료 효과가 유지되는 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 2pN(피코 뉴턴) 크기의 힘을 발생시킨다. 자기유전학 장치를 이용해 자기장 자극을 주면 자성나노입자가 특정 신경세포 표면에 붙어서 피에조-1(Piezo-1) 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) 신경세포가 10배 이상 활성화됐다. 또한 균형감각과 운동성이 약 2배 이상 향상돼 정상에 가까운 운동 능력을 보여준 것을 확인했다. 더 나아가, 2주간 매일 반복해서 자극을 받은 파킨슨 쥐는 자극을 중단한 24시간 후에도 회복된 운동 능력을 약 35퍼센트 유지했다. 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 자극해 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.
