성균관대, '미니 뇌'로 파킨슨병 치료제 반응 실시간 측정 성공

성균관대, '미니 뇌'로 파킨슨병 치료제 반응 실시간 측정 성공

인간 뇌간 오가노이드와 초정밀 광학센서 결합… 파킨슨병 치료 반응 12시간 연속 추적

성균관대학교(총장 유지범) 생명물리학과 김인기 교수 연구팀(공동 제1저자 조한준·김영준 박사과정)과 박종찬 교수 연구팀(공동 제1저자 윤나현 석사과정)이 줄기세포로 만든 ‘미니 뇌’와 빛-물질 상호작용을 극대화한 나노플라즈모닉센서를 결합해 파킨슨병 치료제의 효과를 실시간으로 확인하는 ‘오가노이드 온 어 칩(organoid-on-a-chip)’ 기술을 개발했다.
 

▲ (위) 김인기 교수, 조한준 박사과정생, 김영준 박사과정생 (아래)박종찬 교수, 윤나현 석사과정생[사진=성균관대 제공]


오가노이드란 사람의 줄기세포를 배양해 실제 장기와 유사하게 만든 ‘3차원 미니 장기’를 말한다. 

연구팀은 뇌와 척수를 연결해 호흡과 운동 등을 조절하는 핵심 부위인 ‘뇌간’을 모사한 오가노이드를 제작했다. 파킨슨병은 뇌 속에서 운동 신호를 전달하는 ‘도파민’ 분비 세포가 손상되면서 손발이 떨리고 몸이 굳는 대표적인 퇴행성 뇌질환이다.

기존 신약 연구에서는 약물의 반응을 확인하기 위해 세포를 파괴하거나 특수 염색을 거쳐야만 했다. 이 때문에 살아 있는 조직에서 약이 언제부터 효과를 내고 얼마나 오래 유지되는지 연속적으로 관찰하는 데 한계가 있었다. 
 

▲ 비파괴 방식의 맞춤형 실시간 약물 스크리닝 결과 [그림=성균관대]

연구팀은 머리카락 굵기보다 훨씬 작은 금 나노 구조물에 빛이 닿을 때 발생하는 ‘빛의 공명 현상’을 활용해 이 문제를 해결했다. 금 나노홀과 수직 광학 공진기가 결합된 센서 표면에 도파민에만 반응하는 인공 DNA 물질(압타머)을 붙여, 미니 뇌 조직을 손상시키지 않고도 분비되는 도파민의 양을 초정밀 수준(~8.3 피코몰)으로 감지할 수 있게 만들었다.

연구팀은 미세한 관으로 배양액과 약물을 정밀하게 공급하는 미세유체 칩 환경에서 파킨슨병 뇌간 오가노이드의 반응을 12시간 동안 실시간 측정했다. 그 결과, 파킨슨병 치료제(L-DOPA)를 투여했을 때 감소했던 도파민 분비가 회복되는 전 과정을 정밀하게 포착했다. 

특히 약물 농도를 높인다고 해서 무조건 치료 효과가 더 좋아지는 것은 아니라는 점도 확인하며, 환자에게 가장 안전하고 효과적인 최적 투여량을 찾는 데 성공했다.
 

▲ 나노플라즈모닉 오가노이드 칩 플랫폼 [그림=성균관대]

이번 성과는 사람의 뇌 조직을 모사한 모델에서 약효가 나타나는 시작 시간, 최대 도달 시간, 지속 기간을 시간대별로 정확히 측정할 수 있음을 입증했다. 향후 동물실험과 실제 인체 임상시험 사이의 간극을 획기적으로 줄여 신약 개발 기간을 단축하고 비용을 절감하는 데 크게 기여할 전망이다.

김인기 교수는 “이번 연구는 초정밀 광학 센서를 활용해 살아 있는 인간 조직의 약물 반응을 시간에 따라 연속적으로 확인하는 길을 열었다는 데 의의가 있다”며 “향후 환자 맞춤형 신약 개발과 질병 치료를 위한 핵심 플랫폼으로 발전시키겠다”고 밝혔다.

이번 연구 성과는 나노과학 분야의 세계적인 권위지 ‘ACS 나노(ACS Nano)’에 게재됐다.

글. 우정남 기자 insight1592@gmail.com

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