IBS, 뇌전증 발작 위험 실시간 감시 '뇌 센서' 개발

뇌 포타슘이온 농도 측정, 살아있는 생쥐 발작정도 관찰 성공

뇌질환 정밀 진단 기대…국제 학술지 'Nature Nanotechnology'에 게재

[대전=뉴시스] 포타슘이온 나노센서 구조. IBS 연구진은 다공성 실리카 나노입자의 구멍 속에 포타슘이온을 센싱하는 염료를 넣은 뒤 얇은 막으로 코팅해 나노센서를 개발했다. 얇은 막은 크기가 상대적으로 작은 포타슘이온만이 통과 가능해 높은 선택도로 이온 농도 변화를 관측할 수 있다.

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 뇌전증(Epilepsy·간질)으로 인한 발작을 실시간 감시할 수 있는 센서가 국내 연구진에 의해 개발됐다.

 기초과학연구원(IBS)은 나노입자 연구단 현택환 단장(서울대 석좌교수) 연구팀이 뇌 여러 영역의 포타슘이온(K+) 농도 변화를 동시에 측정할 수 있는 고감도 나노센서를 개발하고 동물시험에서 발작 정도를 실시간으로 관찰하는데 성공했다고 11일 밝혔다.

 뇌전증은 뇌 신경세포의 불규칙한 흥분으로 인해 발생한다. 흥분한 뇌 신경세포는 포타슘(칼륨)이온을 바깥으로 내보내며 이완하지만 신경세포 내 포타슘이온이 빠져나오지 못하고 흥분상태를 유지하면 뇌전증 증상인 발작과 경련이 일어난다. 즉 뇌전증(epilepsy)은 뇌경련(seizure)이 만성적, 반복적으로 나타나는 현상을 일컫는다.

이에 따라 뇌전증을 비롯해 신경세포의 활성으로 인한 뇌질환의 정확한 진단을 위해서는 다양한 뇌 부위에서 포타슘이온 농도 변화를 추적·관찰하는 일이 중요하다.
 
신경세포가 흥분할 때 세포막의 이온통로를 통해 이동하는 여러 이온(포타슘·소듐(Na)·칼슘(Ca)) 중 농도변화가 상대적으로 적은 포타슘이온은 선택적으로 측정하기 어려워 실시간으로 신경세포의 변화를 포착하기가 쉽지 않다.

IBS 연구진은 나노입자를 이용해 자유롭게 돌아다니는 생쥐에서 포타슘이온의 농도 변화만 선별적으로 측정할 수 있는 고감도 나노센서를 개발했다.

우선 연구진은 포타슘이온과 결합하면 녹색 형광을 내는 염료를 수 나노미터(nm) 크기의 구멍을 가진 실리카 나노입자 안에 넣고 나노입자 표면을 포타슘만 선택적으로 통과시키는 얇은 막으로 코팅했다.
 

[대전=뉴시스] 나노입자를 이용한 발작 정도 분석 결과. IBS 연구진은 자유롭게 돌아다니는 생쥐에 나노입자를 주입한 뒤 포타슘이온 농도변화를 살폈다(a). 부분적 발작(3단계 발작)의 경우 포타슘이온 농도가 뇌 해마, 편도체, 대뇌피질 순으로 순차적으로 증가했지만(b), 전신 발작(5단계 발작)의 경우 3개 부위의 포타슘이온 농도가 동시에 증가하고 더 오래 지속됐다(c).

이를 통해 막을 통과한 포타슘이온이 염료와 결합해 내는 형광의 세기를 토대로 포타슘이온의 농도를 측정할 수 있도록 했다.

이어 연구진은 움직이는 생쥐의 뇌 해마, 편도체, 대뇌피질에 나노센서를 주입한 뒤 해마에 전기적 자극을 가해 발작을 일으킨 뒤 포타슘이온 농도 변화를 측정했다.

측정 결과, 부분발작이 일어나는 경우 자극이 시작된 뇌 해마에서 편도체, 대뇌피질 순으로 순차적으로 농도가 증가하는 반면 전신발작 때는 3개 부위 포타슘이온 농도가 동시에 증가하고 지속시간 역시 길어진다는 사실을 확인했다.

이번 연구는 자유롭게 움직이는 상태에서 실시간으로 뇌 신경세포 활성을 측정하는 것은 물론 뇌의 여러 영역에서 동시에 농도 변화를 감시할 수 있어 발작의 정확한 발병기전을 이해하는데 도움을 준다.

포타슘이온 농도는 뇌전증, 알츠하이머병, 파킨슨 병 등 뇌질환의 발생을 감시할 수 있는 지표가 되는 만큼 연구진은 이번 기술이 뇌신경세포의 과도한 흥분으로 인해 발병하는 여러 뇌질환의 발병원인 규명 및 진단에 도움이 될 것으로 기대하고 있다.

 이번 연구결과는 나노기술 분야 세계 최고 권위지인 '네이처 나노테크놀로지'(Nature Nanotechnology, IF 43.341)에 11일 게제됐다.(논문명:A sensitive and specific nanosensor for monitoring extracellular potassium levels in the brain)

현택환 단장은 "개발된 나노센서를 이용하면 뇌전증에 의한 발작 정도를 실시간으로 측정할 수 있을 뿐만 아니라 뇌 여러 영역의 포타슘이온 농도 변화를 동시에 관찰할 수 있다"면서 "향후 뇌전증이나 알츠하이머병과 같은 뇌질환들의 병리기전 규명과 진단에 사용될 것으로 기대한다"고 말했다.

 한편 2월10일은 '뇌전증의 날'이다. 뇌전증은 '간질'로 불리다가 지난 2009년 대한뇌전증학회가 질환 인식 개선, 사회적 편견 해소를 위해 정식 명칭을 뇌전증으로 변경했다.


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