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빛으로 금 나노막대 자극해 신경세포 활성 억제하는 플랫폼 제작
광열효과 이용해 신경세포의 활동 억제할 수 있다는 연구결과 바탕으로 뇌구조•신경 네트워크 연구 위해 필요한 억제 기술 개발해
[419호] 2016년 05월 03일 (화) 임성민 기자 96eric@kaist.ac.kr

바이오및뇌공학과 남윤기 교수와 박지호 교수 공동 연구팀이 빛과 열을 이용해 신경세포의 활성화를 억제할 수 있는 새로운 플랫폼을 개발했다. 이번 연구 결과는 지난달 9일 <ACS 나노(ACS Nano)> 온라인 판에 게재됐다.

신경 네트워크를 구성하는 신경 세포
신경세포는 신경계를 이루는 가장 기본적인 단위다. 뇌를 비롯한 우리 몸의 신경네트워크를 구성하는 수많은 신경세포들은 서로 전기적, 화학적 신호를 주고받으며 작동한다. 이 신경 네트워크의 활동을 이해하기 위해서는 신경세포의 활성을 제어할 수 있는 기술이 필수적이다. 특히 신경세포의 활성을 효과적으로 제어하고 우리 몸의 신경 네트워크와 시스템을 연구하기 위해서는 신경세포의 활성과 억제를 모두 조절할 수 있어야 한다.


전기 자극으론 활성 억제하기 힘들어
기존에는 신경세포의 활성을 제어하기 위해 전기 자극, 광유전학 등의 방법을 사용했다. 전기 자극은 신경세포의 신호를 조절하기 위해 가장 흔히 쓰이는 방법으로, 신경세포를 활성화하는 흥분성 자극을 만드는 데에 효과적이지만 신경세포의 활동을 억제하기는 어렵다.

유전자 조작 기반으로 하는 광유전학
최근 가장 주목받은 신경세포 활성 억제 기술은 빛을 이용하는 광유전학(optogenetics)*이다. 하지만 이 기술은 구현이 까다롭고 가시광선 대의 빛을 이용해 실제 신체에 적용하기 힘들었다. 또한 유전자 조작을 기반으로 하는 기술이기 때문에 다양한 윤리적 논쟁의 대상이 되었다.

광열효과로 신경 세포의 활성 억제해
연구팀은 금 나노막대를 이용해 신경세포의 활성을 억제하는 새로운 기술을 개발했다. 금 나노막대가 특정 파장대의 빛을 흡수하면 광열효과(photothermal effect)**가 일어난다. 연구팀은 신경세포에 금 나노막대를 붙인 후 신체를 투과할 수 있는 근적외선 대의 레이저를 비추면 신경세포의 신호가 끊기는 것을 발견했다. 금 나노막대에서 발생한 열이 신경세포 활성에 영향을 미치는 것이다. 신경세포에는 열에 반응하는 TREK-1이라는 칼륨 이온 채널이 있어 세포가 열을 받으면 채널을 통해 칼륨이 빠져나온다. 그 결과 신경세포가 전기적 신호를 제대로 만들지    못하는 것이다.

흥분과 억제를 모두 제어하는 플랫폼
이번 연구에서 연구팀은 기존의 신경세포 칩(Brain on a Chip)과 금 나노막대를 결합해 광-전기 복합 자극칩 플랫폼을 만들었다. 신경세포 칩은 전자소자 칩 위에 실제 신경세포를 배양해 세포가 생성하는 전기적 신호를 측정하는 한편 세포에 전기적 자극으로 흥분성 자극을 줄 수 있는 장치다. 연구팀은 금 나노막대를 신경세포 칩 표면에 코팅해 신경세포의 흥분과 억제를 모두 제어할 수 있는 전기 광학적 신경플랫폼을 만들었다.

금 나노입자를 이용하면 정교한 레이저 제어를 통해 특정 신경세포에 국소적으로 열을 전달할 수 있어 과흥분된 신경 네트워크의 활동을 조절할 수 있다. 또한, 유전자 조작 없이도 피부를 투과하는 빛을 이용해 신경 신호를 제어할 수 있다. 남 교수는 “광-열적 억제성 자극의 정확한 메커니즘과 신경 네트워크에 대한 연구를 계속할 예정이다”라며 “생체 적합한 재료를 발굴해 임상에도 적용할 수 있을 것이다”라고 전망을 밝혔다.
 

광유전학*
유전자 조작으로 신경세포에 빛에 감응하는 Cl 펌프를 발현시켜 빛에 반응하도록 하는 기술.

광열효과**
금속 나노입자가 특정 파장대의 빛을 쬐면 광자를 흡수해서 에너지 변화를 일으켜 열이 발생하는 현상.

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