바이오인

핵심내용

체내 삽입형 스트레스 호르몬 센서 개발
- 스트레스 호르몬 분비의 실시간 모니터링 가능 -

□ 국내 연구팀이 스트레스 호르몬 분비를 실시간으로 모니터링 할 수 있는 센서 시스템을 구현했다. 김태일 교수(성균관대학교), 최영진 교수(세종대학교) 공동 연구팀이 동물 체내에 삽입 가능한 유연한 전자소자로 부신의 전기생리학적 신호를 검지해 스트레스 호르몬인 코티졸을 간접 측정했다고 한국연구재단(이사장 노정혜)은 밝혔다.

□ 코티졸은 스트레스 상황에서 분비되는 호르몬으로, 지속적으로 과도하게 분비되면 만성질환과 우울증을 유발한다. 그 중요성에도 불구하고 코티졸 분비량을 검지하는 것은 쉽지 않다. 기존의 타액이나 혈액을 이용한 측정 방법은 실시간 모니터링이 불가능하고 검지 해상도가 낮은 한계가 있다.

□ 연구팀은 유연한 플라스틱으로 구성된 전자소자를 개발해, 부신 피질과 수질에서 코티졸을 분비할 때 나오는 전기신호를 측정했다. 개발된 시스템은 체내에 완전히 삽입된 채 부신의 전기신호를 외부 장치에 기록하는 데 성공했다.

 ㅇ 시스템은 생체 친화적이어서, 살아 움직이는 동물에서도 9주 이상 원만히 작동할 뿐 아니라 동물의 생존율도 매우 높았다.

□ 김태일 교수는 “그동안 잘 알려지지 않은 부신의 호르몬 분비를 파악하는 기본 연구이며, 여타 다른 생체기관의 호르몬 조절 연구까지 파급효과를 보일 것이다”라고 밝혔고,

□ 최영진 교수는 “향후 의학적으로 환자 모니터링에 적용할 수 있을 뿐 아니라 검지 과정을 역이용하면 간단한 전기자극을 통해 스트레스가 질병화하는 것을 막을 수 있을 것으로 기대된다”라고 연구 의의를 설명했다.

□ 이 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 미래유망융합기술파이오니어사업의 지원으로 수행되었다. 권위있는 국제학술지 ‘미국국립과학원회보(PNAS)’ 1월 7일자 논문으로 게재되었다.

<참고자료> : 1. 주요내용 설명  2. 그림 설명

상세내용

■ 주요내용 설명

□ 논문명, 저자정보

논문명
Chronic and Acute Stress Monitoring by Electrophysiological Signals from Adrenal Gland

저  자
김태일 교수(교신저자, 성균관대), 최영진 교수(교신저자, 세종대), 선우성혁 연구원(제1저자, 성균관대), 김수완 교수(공동연구자, 전남대병원)

□ 연구의 주요내용

 1. 연구의 필요성

  ○ 현대 사회가 고도로 복잡해지고 경쟁이 치열해지고 있기 때문에 많은 사람들이 만성적인 스트레스에 시달리고 있다. 일시적 스트레스는 인간의 목표 수행능력을 향상시키지만 불필요한 스트레스가 인체에 지속적으로 누적되게 되면 스트레스 호르몬의 비정상적인 분비 및 조절실패로 인체의 항상성이 붕괴되어 심혈관계, 면역계통, 소화계통, 생식계통을 교란시키고 각종 질환을 유발한다. 인간의 뇌는 스트레스를 검지하면 신경과 호르몬을 통해 스트레스 반응을 하게 되는데, 특히 부신피질은 흔히 스트레스호르몬이라고 불리는 코티졸이라는 호르몬을 분비하며, 이 코티졸은 한번 분비되면 혈류를 따라 체내를 순환하며 전신에 장시간 영향을 준다. 만성적인 스트레스로 인해 이 코티졸이 과도하게 분비되면 상기하였던 바와 같이 각종 질환을 직, 간접적으로 유발하게 된다.

  ○ 그러나, 현재 이러한 스트레스 호르몬 분비상황을 모니터링하는 기술에는 한계가 있다. 체액이나 혈액을 이용하여 호르몬 수치를 측정하는 전기화학적방법을 임상과 연구에서 이용하고 있는데, 이는 상황에 따라서 항상 변화된 호르몬을 일시적으로 측정하는 방법에 불과하여 실시간 모니터링이 어렵고 침, 땀으로 얻을 수 있는 수치와 실제 수치와는 큰 차이가 있어 시계열적 해상도가 매우 낮다.

  ○ 이에 성균관대 화학공학부 김태일 교수 연구진과 세종대학교 나노신소재공학과 최영진 교수는 공동으로 내분비기관 세포에서 이온 흐름이 발생하며 호르몬이 분비된다는 것을 밝히고 이때 전기생리학적 신호가 발생한다는 것을 확인하였다. 이 신호를 플렉시블 생체집적전자소자 기술을 이용하여 측정함으로써, 스트레스 호르몬이 생성되는 부신 피질에서의 호르몬분비의 실시간 검지 시스템을 개발하였다.

 2. 연구내용

  ○ 연구진은 반도체공정을 이용하여 수 마이크로 미터 두께의 유연한 전기생리 센서를 제작하였으며, 이를 살아있는 쥐의 부신에 삽입하여 전기생리학적반응신호를 기록하는 데 성공하였다. 연구진이 만성스트레스 상에서 발생하는 부신피질자극호르몬(ACTH)을 외부에서 투여하여 코티졸 분비를 유도한 결과 전기생리학적 신호의 빈도가 크게 증가한 것을 확인하였고, 신호의 빈도와 스트레스호르몬인 코티졸 호르몬 분비거동과의 상관관계를 밝혔다. 이 방법으로 체내에서 9주 이상 측정이 가능함을 확인하였다.

  ○ 또한, 연구진은 만성스트레스 뿐만 아니라 동물에게 실제 스트레스의 환경을 조성하여 실험하는 것에 성공하였다. 동물의 강제수영실험(forced swimming test)을 통한 일시적 스트레스 인가 후 신호 변화를 측정한 결과, 부신피질 및 부신수질에서 동시에 신호가 증가하는 것을 확인하여 만성 스트레스와 일시적 스트레스의 상관관계를 밝혔다.

  ○ 개발된 센서는 재료적으로 생체 친화적이고 매우 얇기 때문에 삽입한 이후 동물은 대단히 높은 생존률을 보였으며, 유연한 물리적 특성으로 말미암아 기존의 딱딱한 생체집적소자에 비하여 오랜 시간동안 체내에서 안정적으로 작동하였을 뿐 아니라 조직 자체의 손상도 적음을 보여주었다.

 3. 연구성과/기대효과

  ○ 개발된 전기생리센서는 체내에서 스트레스 호르몬의 실시간 모니터링이 가능하게 하였다. 향후에 스트레스호르몬의 과다 분비로 고통을 받는 환자들에게 적용하여 이상분비를 실시간으로 검지하고, 적절한 약물을 투여하여 이상분비로 인한 부작용을 방지할 수 있는 방법으로의 임상적 응용이 가능할 것으로 기대한다. 또한 호르몬의 분비 과정에서 전기생리신호가 발생하고, 이 신호가 호르몬 생성에 결정적인 방아쇠가 되기 때문에 반대로 전기 자극을 통하여 인체 내 다양한 호르몬의 분비를 제어할 수도 있을 것이라고 기대하고 있다. 이를 우리의 전기생리센서에 적용한다면 스트레스 호르몬의 이상분비를 검지하고 즉시 전기자극을 통해 제어를 할 수 있을 것이다.

  ○ 뿐만 아니라 스트레스 호르몬 이외에 뇌하수체, 이자도세포, 생식세포 등의 호르몬조직 역시 호르몬을 분비할 때 전기생리신호를 발하는 것으로 알려져 있다. 전기생리신호를 통해 생성되는 많은 호르몬들은 항상성 유지를 위해 핵심적인 역할을 수행하고 있으며, 이 호르몬들의 이상은 많은 내분비계 질환의 주요한 원인이 된다. 상기하였던 바와 같이 개발된 전기생리적 호르몬 센서는 시계열적, 공간적으로 높은 해상도에서 정밀한 신호를 검지할 수 있으므로 각종 호르몬 기관에서 임상적 적용과 연구에 이용할 수 있을 것으로 보인다. 이는 내분비 기관 연구에 새로운 패러다임을 제시할 수 있을 것이다.

...................(계속)

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