바이오인

[연구현장 탐방] 가천대학교 인천캠퍼스 뇌과학원천기술연구단

나노탐침 기술로 뇌질환 진단과 치료를 한번에

기존의 뇌질환 진단 및 연구는 뇌파검사(EEG), 자기공명영상(MRI), 뇌혈류초음파 검사(TCD), 양성자방출 단층촬영(PET), 단일 양광자 방출 단층촬영(SPECT) 등 고가의 부피가 큰 장비 위주로 이루어지고 있기 때문에 여타 기술과의 융합에 어려움이 있었다. 또한 현재 뇌질환 진단에 주로 사용되고 있는 '뇌심부자극술(뇌 속에 미세전극을 심어놓고 전기선으로 가슴 부위에 배터리를 연결하여 뇌를 자극하는 방법)'은 이식된 기기의 불량이나 고장, 배터리 교체, 사고로 인한 재수술 등의 이유로 환자들에게 경제적·심리적인 부담을 안긴다는 한계가 있었다.

이를 해결하기 위해 가천대학교 인천캠퍼스 뇌과학원천기술연구단은 첨단 기술로 주목받고 있는 나노기술과 생명공학기술을 융합하여 신개념의 인체 친화성 양자소재를 기반으로 한 '나노탐침형 뇌센서 시스템'을 개발하고 있다.지난 2006년 과학기술부에서 추진한 특정연구개발사업의 일환이기도 한 이 사업은, 초소형 침(probe)을 환자의 머릿속에 넣어 뇌에서 일어나는 전기적·화학적 변화를 측정하고 이를 다시 무선시스템(wireless power system)을 통해 외부로 전송하는 방식으로 진행된다. 이렇게 전송된 데이터를 분석하면 각종 뇌질환을 진단할 수 있을 뿐만 아니라 뇌 속의 침과 정보통신기술의 결합에 의해 환자의 증세를 실시간으로 측정할 수 있게 된다.

더 작게, 그리고 더 예민하게

나노탐침 기술은 우선, 장기간 사람의 뇌 속에 기기를 삽입하여 뇌질환 지표 물질과 수용체 생체반응을 시시각각 측정해야 하기 때문에 나노탐침형 뇌센서의 초소형화 개발이 핵심이다. 두 번째로, 초소형화된 나노탐침형 PPD(Probe Pin Device: 양자소재 센서나 바이오센서를 이용하여 뇌 속의 신경전달물질이나 압력, 온도를 측정하기 위해 제작되는 탐침 시스템)는 정보통신기술이 결합된 무선동력전달 장치 등의 하드웨어 개발을 필요로 한다. 여기에다가 인체에 유해한 요소는 없는지 기기의 안전성을 확보하는 것까지가 연구단이 최종적으로 해결해야 할 과제인 셈이다.

현재 뇌과학원천기술연구단은 다양한 소재의 개발에 착수한 끝에 지난 2010년 모델에 비해 부피가 9.6배 축소된, 길이 3cm, 지름 1cm 크기의 소형 PPD 모델을 제작해냈다. 또한 뇌 속에 존재하는 신경전달물질을 무수히 센싱하는 등 여러 기술적 난제와 시행착오를 거쳐 신체형 PPD용 센서를 설계하고 제작해 놓은 상태다. 이 밖에도 나노탐침 PPD의 무선 전력 송수신 기술 개발과정에서는 정전용량형 압력센서와 제조 방법에 대한 PCT 출원을 도출하는 성과를 이루기까지 했다. 이렇게 개발된 모든 기술을 사람의 뇌에 직접 적용하기 위해서는 향후 인체 안정성을 고려한 실험 결과에 따라 실제 정량화된 크기의 기기가 최종 결정될 예정이다.  뇌질환 진단용 양자소재와 나노탐침 시스템이 개발될 경우, 진단의학 분야에서 획기적인 발전을 이끄는 것은 물론, 신약 개발, 생체 분자 운동 연구 등 다양한 방면에 두루 응용될 수 있어 경제적, 산업적 파급효과가 상당할 것으로 연구단은 내다보고 있다.

여러 분야 전문가들의 상호 협력이 연구의 바탕

연구단의 총 지휘를 맡고 있는 연구 단장이자 신경외과 의사인 이언 박사는 그간 뇌질환 환자들을 치료하면서 환자나 보호자들이 갖는 경제적인 부담과 일상생활의 어려움을 절실히 느꼈다고 한다. 그리고 뇌질환을 보다 효과적으로 진단하고 치료할 수 있는 방법을 모색하다가 생각해 낸 아이디어와 우주기술개발의 메카라고 불리는 '나사(NASA)'와의 상호협력으로 뇌과학원천기술개발사업에 착수하게 되었다.

처음 사업계획을 발표했을 때만 해도 세계적으로 나노에 대한 개념이 생소했던 터라 많은 연구자들이 의문을 제기하기는 등 주변의 반응이 시큰둥했다고 한다. 이처럼 국내는 물론, 선진국에서도 아직 유례를 찾아볼 수 없는 나노탐침 시스템은 의료 분야를 기본으로 생물학, 전자공학, 화학공학, 물리학처럼 다방면의 학문을 접목시킨 융합기술인만큼 그 어떠한 과제보다도 연구진들의 유기적인 협력과 종합적 연구가 요구된다.

뇌과학원천기술연구단은 이언 교수의 지도 아래 나노탐침의 안전성과 유효성을 연구하는 가천대학교 인천캠퍼스 연구단 외에도 인체친화형 양자소재를 개발한 가천대학교 경원캠퍼스 연구단, 센서 개발을 맡고 있는 서강대학교 연구단, 무선시스템과 생체 연료전지의 기술 개발을 돕는 전자부품연구원, 그리고 생체 신호를 탐지할 수 있는 기기와 나노탐침을 이용한 뇌질환 진단 및 치료기술개발을 맡은 나사의 리서치 센터 등 다양한 분야의 연구진들이 각자 맡은 세부 과제를 담당하여 상호 협력을 통해 하나의 통합적인 연구단을 이끌어가고 있다.

의료 분야를 중심으로 나노바이오 기술 시장을 개척하다

뇌과학원천기술사업은 앞으로도 더 많은 시간과 끊임없는 노력, 연구진들의 협력이 필요한 상태이며 현재까지 해결되지 않은 생체 호환성 문제, 송수신 장치의 소형화, 전력 공급 매체의 인체 유해성 검증 등에 대한 지속적인 연구가 뒷받침되어야 한다는 게 이언 박사의 설명이다. 앞으로 나노바이오 기술의 세계 시장이 향후 1조 달러에 육박할 것으로 예상되는 가운데 가천대학교 뇌과학원천기술연구단의 사업은 의료복지 분야에서 국제적으로 경쟁력 있는 원천 기술을 확보하게 되는 동시에 나노바이오 의료기기 산업의 급격한 성장을 불러일으킬 것으로 보인다. 그러나 무엇보다도 연구진의 가장 큰 바람은 나노탐침 기술을 통해 단 한 명의 환자에게라도 진료 과정에서 실질적인 도움을 주는 것이다. 실제 의료 현장에서 사용될 수 있는 첨단기술을 제공함으로써 보다 안전하고도 편리한 치료에 기여하고 싶다는 연구원들의 희망이 오늘도 반짝이고 있다.

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