인간의 척수를 모사한 '인공 미니 척수(척수 오가노이드)'에 체온만으로 스스로 밀착하며, 신경계의 전기적 활동과 염증 반응을 실시간으로 동시에 측정할 수 있는 3차원(3D) 전자칩이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 오가노이드를 파괴하지 않고도 질환의 진행 과정이나 약물 효과를 정밀하게 추적할 수 있어 차세대 정밀의학 연구에 가속이 붙을 전망이다.
한국뇌연구원(KBRI·원장 이승복)은 정서인지질환 연구그룹 추남선 박사(주 교신저자), 신효근 경북대 전자공학부 교수(공동 교신저자), 한국과학기술원(KIST) 이주현 박사(공동 교신저자) 공동 연구팀이 3차원 인간 척수 오가노이드의 곡면 구조에 맞춰 스스로 접히며 신경 신호와 염증성 사이토카인을 동시에 측정하는 '3D 접힘형 바이오전자 인터페이스' 플랫폼을 개발했다고 7일 밝혔다.
이승준(한국뇌연구원, 경북대학교)·한상민(한국과학기술원) 연구원이 공동 제1저자로 참여한 이번 연구 결과물은 최근 바이오센서 분야 세계적 권위 학술지인 '바이오센서스 앤 바이오일렉트로닉스(Biosensors and Bioelectronics)' 최신호에 게재됐다.
최근 인간의 신경계 발달과 질환을 실험실 환경에서 재현하는 '오가노이드(3차원 인공 미니 장기)'연구가 활발히 이뤄지고 있다. 신경염증은 면역 조절 물질인 사이토카인의 변화와 신경세포의 전기적 활성 변화가 복합적으로 수반되는 현상으로, 두 신호를 동시에 측정하는 것이 질환 기전 규명의 핵심이다. 그러나 기존 분석법은 오가노이드를 고정하거나 분해해야 해 연속 관찰이 불가능했고, 평면형 전극은 3D 형태인 오가노이드 표면에 밀착되지 않아 정밀 측정에 한계가 있었다.
연구팀은 인체 정상 체온 환경에서 기계적 강성이 낮아지며 형태가 변하는 '형상기억 고분자(SMP)'를 활용해 이 문제를 해결했다. 전자칩을 오가노이드에 적용하면 별도의 외부 압력 없이도 체온에 반응해 3차원 곡면을 자연스럽게 감싸며 밀착된다. 유한효소해석과 기계적 특성 분석을 통해 온도 변화에 따른 구조 안정성과 접촉 면적 증가도 검증했다.
이번에 개발된 3D 바이오전자 인터페이스는 인공 장기를 손상시키지 않는 비침습적 방식으로 복합 생체 신호를 연속 모니터링할 수 있어, 신경염증 질환의 병태생리 연구와 맞춤형 약물 스크리닝의 정밀도를 획기적으로 높인 기술로 평가받는다. 척수뿐 아니라 뇌·말초신경 오가노이드 등 다양한 3차원 신경계 모델로 확장 적용할 수 있어 활용 가치가 높다.
추남선 박사는 “이번 3D 전자칩은 기존 분석의 한계를 넘어 오가노이드의 생체 신호를 비침습적으로 실시간 추적할 수 있는 기술”이라며 “척수·뇌 오가노이드 기반 난치성 신경계 질환 치료제 개발과 정밀의료 플랫폼 구축을 위한 후속 연구를 이어가겠다”고 밝혔다.
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 지원 바이오의료기술개발사업,개인기초연구사업, 한국뇌연구원 기관고유사업으로 수행됐다.
대구=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
