포타슘(K·칼륨)이온을 통한 신경세포 활성 측정 과정(기초과학연구원 제공). 2020.02.11/뉴스1

기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단 현택환 단장 연구팀이 뇌 여러 영역의 포타슘(K·칼륨)이온 농도 변화를 동시에 측정하는 고감도 나노센서를 개발했다고 11일 IBS가 밝혔다. 포타슘이온 농도는 뇌전증(간질)은 물론 알츠하이머병, 파킨슨병 등 뇌질환 발생을 감시할 수 있는 지표다.

즉, 뇌전증을 비롯해 신경세포 활성으로 인한 뇌질환의 정확한 진단을 위해선 다양한 뇌 부위에서 포타슘이온 농도 변화를 추적·관찰하는 일이 필요한데 '현택환 연구팀'이 이를 해낸 것이다.일례로 3대 뇌질환으로 꼽히는 뇌전증은 뇌 신경세포의 불규칙한 흥분으로 인해 발생한다. 흥분한 뇌 신경세포는 포타슘이온을 바깥으로 내보내며 이완한다. 하지만 신경세포 내 포타슘이온이 빠져나오지 못하고 흥분상태를 유지하면 뇌전증의 증상인 발작과 경련이 일어나는 것이다.

뇌전증으로 인한 발작과 경련은 전체 인구의 1%가 가지고 있을 정도로 빈도가 높지만 지금까진 실시간으로 신경세포의 변화를 포착하기 어려웠다.

신경세포가 흥분할 때 세포막의 이온통로를 통해 이동하는 여러 이온(포타슘·소듐(Na)·칼슘(Ca)) 중 포타슘이온의 농도 변화만 선택적으로 측정하기 어려웠기 때문이다. 게다가 포타슘이온의 농도 변화는 다른 이온에 비해 상대적으로 작아 더 측정이 어렵다.이에 따라 우수한 선택도와 민감도를 가진 포타슘센서를 개발하려는 많은 연구가 진행됐지만 기존 기술로는 배양된 신경세포, 뇌 절편, 마취상태의 동물 등 제한된 환경에서만 농도를 측정할 수 있다는 한계가 있었다.

연구진은 고감도 나노센서 개발을 통해 이런 한계를 극복했다.

연구진은 포타슘이온과 결합하면 녹색 형광을 내는 염료를 수 나노미터(mm) 크기 구멍을 가진 실리카 나노입자 안에 넣었다. 이후 이 나노입자 표면을 세포막에 있는 포타슘 채널과 유사한 구조를 가져, 포타슘만 선택적으로 통과시키는 얇은 막으로 코팅했다.

이렇게 막을 통과한 포타슘이온이 염료와 결합해내는 형광의 세기를 토대로 뇌질환 지표인 포타슘이온의 농도를 측정할 수 있게 한 것이다.

연구진은 이후 움직이는 생쥐의 뇌 해마, 편도체, 대뇌피질에 나노센서를 주입한 뒤 해마에 전기적 가극을 가해 발작을 일으킨 다음, 이를 가지고 포타슘이온 농도 변화를 측정했다.

그 결과, 부분 발작(손가락 등 신체의 세부적 부분에서 경련이 일어나는 발작의 초기단계)이 일어나는 경우, 자극이 시작된 뇌 해마에서 편도체, 대뇌피질 순으로 순차적으로 농도가 증가했다. 반면 전신발작 때는 3개 부위 포타슘이온 농도가 동시에 증가하고 지속 시간 역시 길어짐을 확인했다.

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"며 "향후 뇌전증이나 알츠하이머병과 같은 뇌질환들의 병리기전 규명과 진단에 사용될 것으로 기대된다"고 말했다.

이번 연구결과는 나노 기술 분야 세계 최고 권위지인 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnoligy, IF 43.341)에 한국시간으로 이날 새벽 1시에 게재됐다.


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