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치매 치료 길 열었다...카이스트, 원인 물질 정밀측정

기사승인 2021.01.15  14:10:41

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- 카이스트 정기훈 교수팀, 세계 최초 라만 분광 기술개발...검출한계 10억배 향상

디지털 코드 라만 분광기술 모식도(그래픽=카이스트 제공)

[e경제뉴스 임명재 기자] 치매를 일으키는 알츠하이머병, 파킨슨병, 우울증 등 뇌세포 관련 신경 질환은 뇌세포에서 만들어지는 신경전달물질이 적절히 분비되지 않거나 불균형으로 분비돼 발생하는 질병이다. 이로 인한 사망자가 급증하고 있으나 치료가 쉽지 않다.

신경전달물질은 뉴런의 축색 돌기 말단에서 분비돼 시냅스 갭을 통과한 후 다른 뉴런에 신호를 전달하는 물질로, 결합하는 수용체의 화학적 성질에 따라 기능이 다르고, 발생하는 질병도 다양하다.

예방을 하기위해서는 이 물질들을 검출해 양의 변화를 모니터링하는 일이 필요하다.

생체 내 신경전달물질을 초고감도로 측정해 뇌 신경 질환을 조기에 진단할 수 있는 기술이 국내 연구팀에 의해 개발돼 치매치료의 전망이 밝아졌다는 평가다.

카이스트 정기훈 교수

한국과학기술원(KAIST)은 정기훈 바이오·뇌공학과 교수 연구팀이 생체 분자의 광학 검출 한계를 기존의 검출한계를 10억(100경분의 1몰)배 향상시킨 디지털 코드 라만 분광 기술을 개발했다고 15일 밝혔다.

기존 양전자 방출 단층촬영(PET), 표면증강 라만 분광(SERS), 고성능 액체 크로마토그래피(HPLC), 형광 표지 기반 센서 측정 방식 등은 검출 한계가 나노몰(10억분의 1몰)에 불과하고 측정에 시간이 오래 걸린다는 한계가 있다.

알츠하이머병, 파킨슨병 등 뇌 신경 질환은 신경전달물질 분비에 문제가 생겨 발생한다.

이들 질환의 조기 진단을 위해서는 신경전달물질 농도 변화를 관찰하는 것이 중요한데, 생체 내에서 극히 낮은 농도로 존재하기 때문에 검출하기가 쉽지 않다.

알츠하이머병 환자들은 신경전달물질 가운데 아세틸콜린이 부족하거나 글루탐산염이 높은 특징이 있다. 도파민이 부족하면 몸이 굳어지며 떨리는 파킨슨병에 걸리기 쉽고 조현병이나 주의력 결핍 과잉 행동장애와 같은 정신질환의 원인이 된다.

신경전달물질과 관련된 신경 질환은 특정 수용체 작용제나 수용체 길항체로 치료를 하는데, 효과는 그다지 성공적이지 않다.

알츠하이머병이나 파킨슨병과 같은 신경 질환의 조기 진단을 위해서 적절한 신경전달물질의 적절한 분비를 위한 지속적인 신경전달물질 농도 변화를 모니터링하는 것이 매우 중요하다고 연구팀은 설명했다.

연구팀은 문제 해결을 위해 대역확산 통신기술의 뛰어난 잡음 제거 기술을 생체 분자 검출에 적용해 레이저 출력 변동, 수신기 자체 잡음 등의 시스템 잡음과 표적 분자 이외의 분자 신호를 효율적으로 제거하고 표적 생체 분자 신호만 선택적으로 복원했다.

대역 확산 기술과 라만 분광법을 접목해 측정한 신경전달물질 스펙트럼

그 결과 생체 분자 신호의 신호대잡음비를 증가시켜 더욱 정밀한 검출한계를 달성했다.

대역확산 기반 디지털 코드 분광 기술은 직교성을 가지는 확산 코드로 암호화된 빛으로 생체 분자를 높은 에너지로 이동시켜 생체 분자에서 산란돼 나오는 빛을 다시 확산 코드로 복호화한다.

이러한 과정을 거쳐 표적 생체 분자의 산란 신호를 복원해 질병 및 건강 진단 지표, 유전 물질 검출 등에 응용할 수 있다.

연구팀이 개발한 대역확산 라만 분광 기술은 물질의 고유진동 지문을 측정하는 성분 분석과 전처리가 필요하지 않다는 라만 분광 기술의 장점을 그대로 유지하면서 기존의 기술적 한계인 낮은 신호대잡음비와 검출한계를 극복하는 기술이다.

바이오 이미징, 현미경, 바이오 마커 센서, 약물 모니터링, 암 조직 검사 등의 다양한 분야에 활용될 수 있다.

제1 저자인 이원경 박사과정은 "고감도 분자 진단을 위해 통신 분야의 최첨단 기술인 대역확산 기술을 접목한 차세대 디지털 코드 라만 분광 기술을 최초로 제안했으며, 이 방법으로 기존 생체 분자 검출 기술의 장벽을 해결하고 기존 기술의 신경전달물질 검출한계를 획기적으로 향상시켰다ˮ며 "고감도 소형 분광기로 신속하고 간단하게 현장 진단이 가능하고 다양한 분야에 활용될 수 있어 파급효과가 크다ˮ고 말했다.

정기훈 교수는 "이번 결과를 바탕으로 향후 휴대용으로 소형화를 진행하면 낮은 비용으로 무표지 초고감도 생체 분자 분석 및 신속한 현장 진단이 가능해질 것이다ˮ며 "또한 신경전달물질뿐 아니라 다양한 생화합물 검출, 바이러스 검출, 신약평가분야에 크게 활용될수 있을 것이다ˮ고 말했다.

80대 치매환자 노부부 얘기를 다룬 영화 '아무르' 한 장면

이번 연구는 세계적 권위의 과학전문지 `네이처(nature)'의 자매지인 `네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)' 1월 8일자 온라인판에 실렸다.

임명재 기자 economynews@daum.net

<저작권자 © e경제뉴스 무단전재 및 재배포금지>
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