수술 없이 뇌 회로를 켜고 끄는 기술 개발

우리 뇌에 있는 미로에는 신경 신호가 이동하는 다양한 통로가 존재한다. 뇌전증과 파킨슨병, 강박신경증 등을 포함해 신경 정신 질환을 가진 환자들의 경우 이 신경통로가 엉망으로 나타난다. 과학자들은 질환과 관련된 신경 경로를 보다 정확하게 겨냥해 치료할 수 있는 여러 치료법을 개발했지만 종종 수술이 필요했다.
미하일 샤피로 미국 캘리포니아공과대학(칼텍) 화학공학과 교수 연구진은 미래 과학자와 의사들이 외과 수술 없이 어떻게 신경회로를 선택적으로 켜고 끌 수 있는지 보여주고 있다. 7월 9일 국제학술지 ‘네이처 바이오메디칼 엔지니어링’에 게재된 이번 연구는 초음파 치료, 유전자 치료, 합성 약물 등 세가지 치료를 이용해 쥐의 기억 형성 과정에 영향을 미칠 수 있음을 입증했다. 사피로 교수는 “음파와 유전 기술을 사용함으로써 우리는 처음으로 비침습적인 방식으로 특정 뇌 영역은 물론 원하는 세포를 통제할 수 있게 됐다”며 “또한 뉴런 스위치가 켜지거나 꺼지는 타이밍도 맞출 수 있다”고 말했다. 이번 연구는 동물에 대한 기초연구를 비롯해 미래 신경·정신 질환 치료에 영향을 미칠 수 있다. 신경 회로를 미세하게 조정하려는 시도는 처음이 아니다. 예를 들어 광유전학이라 불리는 기술은 광섬유를 뇌에 삽입해 빛을 이용해 뇌를 자극할 수 있다. 사피로 교수가 시도하는 새로운 방식은 음파를 이용하는 것이다. 사피로 교수 연구진은 이전 연구를 통해 음파를 이용해 체내에 있는 세포의 기능을 통제하는데 성공한 바 있다. 새로운 연구에서 음파는 혈액 속에 넣은 작은 기포와 결합해 일시적으로 ‘혈액 뇌 장벽(blood-brain barrier)’을 연다. 혈액 뇌 장벽은 혈액 속 이물질이 뇌로 들어가는 것을 막는 역할을 한다. 이번 연구의 1저자로 사피로 교수 연구실에서 박사후연구원을 하고 있는 예지 스자블로스키 칼텍 박사는 “기포가 초음파와 부딪치면 진동하고 혈액 뇌 장벽을 짧은 기간 동안 연다”고 설명했다.

혈액 뇌 장벽의 일시적인 개방은 신경 회로를 조절하기 위한 세가지 전략 중 첫 번째 단계에 꼽힌다. 초음파를 이용해 목표했던 지역의 혈액 뇌 장벽이 열리면 연구진은 유전자 치료를 사용한다. 바이러스가 혈액으로 전달되고 이것은 혈액 뇌 장벽을 지나 연구진이 원하는 세포로 배달된 뒤 유전적인 ‘지시’를 내린다. 이같은 유전적 지시는 ‘케모 제네틱’ 수용체라 부르는데 실험실에서 만든 특정한 약물에 반응하도록 설계됐다. 마지막 단계는 약물을 투여하고 특정 뉴런을 크고 껴는 것이다. 새로운 연구에서 연구진은 이 기술을 쥐의 기억 형성에 관여하는 뇌의 ‘해마’에 적용했다. 쥐에게 케모 제네틱 약을 주었을 때 이 뉴런은 꺼졌고, 그 결과로 쥐는 일시적으로 새로운 기억을 형성하지 못했다.
사피로 교수 연구진의 기술은 케모제네틱과 초음파를 합한 만큼 연구진은 이 기술에 ‘음향 표적 케모 제네틱스(ATC·Acoustically Targeted Chemogenetics)’ 또는 ATAC라는 별명을 지어줬다. 이번 연구에 참여하지 않은 브라이언 로스 노스캐롤라이나대 약리학과 교수는 “매우 인상적인 연구결과”라며 “혁신적인 접근 방식은 많은 신경과학자들이 유용하게 사용할 수 있을 것”이라고 말했다. 사피로 교수는 “우리 방식은 동물실험을 거쳐 조금씩 임상으로 가고 있는 기술들의 조합”이라며 “이 때문에 우리가 처음 시작했을 때보다 지금 더 빠른 발전 속도를 보이고 있다”고 말했다.
연구진은 추후 뇌전증을 앓고 있는 동물을 대상으로 실험을 하고 싶다고 밝혔다. 현재 뇌전증을 앓고 있는 많은 환자들은 발작이 일어나는 것으로 예상되는 부위를 잘라내는 수술을 받고 있다. ATAC 기술을 이용하면 수술 없이 원하는 뇌 부위의 활성을 제어할 수 있다. 스자블로스키 박사는 “이 방식은 가역적”이라며 “특정 뉴런을 끄기 위한 약물을 넣을 수 있지만 시간이 지나고 나면 이 세포들은 다시 활성화된다”이라고 말했다. 그는 “약물 투여를 통해 특정 뇌 부위를 얼마나 제어해야 하는지도 확인할 수 있을 것”이라고 덧붙였다.

원문출처 : http://www.caltech.edu/news/switching-brain-circuits-and-without-surgery-82767