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