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빛을 이용해 뇌로 약물을 전달한다
KAIST 최철희 교수팀, 신경약물전달 신기술 세계 최초 개발
뇌혈관은 혈뇌장벽이라는 특수한 구조로 이루어져 있는데, 레이저로 혈뇌장벽의 투과성을 조절하여 투여된 약물을 뇌로 안전하게 전달하는 기술이 국내 연구진에 의해 세계 최초로 개발됐다.
이번 연구는 교육과학기술부의 ‘21세기 프론티어 뇌기능활용 및 뇌질환 치료기술개발사업단’(단장 김경진)의 지원을 받아 우리학교 최철희(바이오 및 뇌공학과․43) 교수팀 주도로 수행되었다.
혈뇌장벽은 대사와 관련된 물질은 통과시키고 그 밖의 물질은 통과시키지 않는 기능을 함으로써 약물이 뇌로 전달되는 것이 어려웠다.
이런 기능 때문에 우수한 효능을 가진 약물조차 대부분 차단되어 실제로 환자에게 적용할 수 없는 경우가 많아, 약물의 효능을 최대한 유지하면서 혈뇌장벽을 어떻게 통과시키느냐가 이 분야 연구의 핵심과제였다.
원활한 약물 전달을 위해 약물의 구조를 변경하거나 머리에 작은 구멍을 내고 약물을 주사하는 방법도 시도되었지만 고비용과 위험성으로 널리 응용되지 못하고 있었다.
최 교수팀은 기존 기술의 한계를 극복하기 위해 극초단파 레이저빔을 1000분의 1초 동안 뇌혈관벽에 쬐어주는 방법으로 혈뇌장벽의 기능을 일시적으로 차단함으로써 약물을 원하는 부위에 안전하게 도달할 수 있게 하는 신개념 약물전달기술을 개발했다.
레이저 빔을 약물이 들어있는 혈관에 쬐이면 혈뇌장벽이 일시적으로 자극을 받아 수도관이 새는 것 같은 현상을 일으켜 약물이 혈관 밖으로 흘러나와 뇌신경계 등으로 전달된다. 정지된 기능은 몇 분 뒤 다시 제 기능을 되찾는다.
최 교수는 “이번 연구는 새로운 신경약물전달의 원천기술을 확립하였다는 점과, 레이저를 이용한 안정적인 생체 기능 조절 기반기술을 구축하였다는 점에서 커다란 의미가 있다”며, “앞으로 이 기술을 세포 수준으로 영역을 확대하는 한편 후속 임상 연구를 통해 실용화할 계획”이라고 밝혔다.
연구 결과는 신경약물전달 원천기술로서 특허 출원 중이며 세계적 저명 학술지인 미국 국립과학원 회보(2011.05.16자)에 게재됐다.
레이저를 이용하여 뇌혈관의 기능을 조절함으로써 원하는 뇌 부위에 안정적으로 약물을 전달할 수 있는 원천기술
2011.05.26 조회수 14774 -
새로운 생체시계 유전자 기능 밝혀내다
- 최준호 교수팀 4년간의 결실, 네이처지 2월호 게재 -
교육과학기술부(장관 이주호)는 24시간을 주기로 반복적으로 일어나는 행동 유형의 하나인 일주기성 생체리듬을 조절하는 새로운 유전자(투엔티-포, Twenty-four)와 이 유전자의 기능 메커니즘이 국내 연구진에 의해 세계 최초로 밝혀졌다고 발표했다.
투엔티-포는 ‘21세기 프론티어 뇌기능활용 및 뇌질환치료기술개발사업’(사업단장 김경진)의 지원을 받은 KAIST 생명과학과 최준호(58)교수·이종빈(30)박사 팀이 미국 노스웨스턴대학교 신경생물학과 라비 알라다 교수·임정훈 박사 팀과의 국제 공동연구를 통해 발견한 것으로 세계 최고 권위의 과학학술지인 ‘네이처(Nature)" 2월호(2011년2월17일자)에 게재됐다.
동 논문의 공동 주저자인 이종빈, 임정훈 박사는 KAIST에서 수학한 국내박사 출신(지도교수 최준호)으로 현재 박사후 연구원으로 동 연구에 참여하고 있으며, 이번 성과는 국내에서 양성한 신진연구원이 주도했다는 점에서 큰 의의를 지닌다.
연구팀에 따르면 형질 전환 초파리를 대상으로 지난 4년간 행동 유형을 실험한 결과 뇌의 생체리듬을 주관하는 신경세포에서 기존에 알려지지 않은 새로운 유전자인 투엔티-포가 존재한다는 사실을 알아냈다.
기존의 생체리듬에 관여하는 유전자들이 DNA에서 mRNA(전령RNA)로 바뀌는 과정(전사단계 : Transcription)에서 작용하는 것과 달리 투엔티-포는 전사단계의 다음단계인 mRNA가 리보솜에서 단백질로 만들어지는 단계에서 작용한다. 특히 투엔티-포는 생체리듬을 조절하는 중요한 유전자인 피리어드(Period) 단백질*에 영향을 미치는 것으로 밝혀졌다.
* 피리어드(Period) 단백질 : 생체 시계 세포들은 외부 자극없이 스스로 돌아가는 분자적 시계 구조를 신경세포마다 가지고 있는데, 피리어드는 이러한 분자적 시계의 구성 유전자 중 하나임. 피리어드 단백질은 생체 시계의 중심 유전자인 클락(Clock)에 의한 전사 활성을 억제 시키는 역할을 함
이는 유전자의 기능을 밝히는 실험을 통해 이 유전자가 만드는 단백질이 신경세포에서 어떻게 기능을 하는지 과학적으로 증명한 것이다. 이번 발견은 기존의 생체리듬에 관여하는 각종 유전자의 작용 메커니즘과 전혀 다른 것으로 생체리듬의 연구 분야에서는 획기적인 일로 평가받고 있다.
이 연구 결과는 앞으로 인간을 포함한 고등생물체의 수면장애·시차적응·식사활동·생리현상 등 일주기성 생체리듬의 문제를 해소하는 방안을 찾는데 중요한 열쇠가 될 것으로 전망된다.
최준호 교수는 “생체리듬의 조절이 유전자의 번역단계에서도 이루어지고 있음을 밝혀 생체시계의 새로운 작용 메커니즘을 찾아냈다는 점에서 연구 결과의 의미가 크다”고 말했다.
연구팀이 새 유전자의 이름을 투엔티-포(Twenty-four)라고 붙인 것은 일주기성(24시간)에 부합하고 유전자 기호 번호(CG4857)를 합한 숫자가 24라는 점에 착안한 것이다.
2011.02.16 조회수 18301 -
매미와 개구리는 지휘자없이 어떻게 합창할까
나무위의 매미와 논두렁의 개구리는 지휘자 없이 어떻게 합창할까? 이와 관련해서, KAIST 바이오 및 뇌공학과의 조광현 교수는 생명체의 동기화된 주기적 진동신호의 생성원리를 최근 규명했다. 나무에 붙어있는 많은 반딧불들의 동시다발적인 깜빡임, 매미들의 조율된 울음소리, 뇌신경세포들간의 전기신호, 세포내 분자들의 농도변화에 이르기까지 생명체는 다양한 형태의 주기적 진동신호 교환을 통해 정보를 전달하는데, 이들은 놀랍게도 정확히 동일한 위상(phase)으로 동기화되곤 한다. 이는 마치 오케스트라에서 지휘자 없이도 모든 연주가 일정한 박자에 맞춰 이루어지는 것과 같다.
어떻게 생명체의 여러 주기적 진동신호들이 그러한 동기화를 이루는가?
우리학교 바이오및뇌공학과 조광현(曺光鉉) 교수 연구팀이 대규모 가상세포(virtual cell)실험을 통해 생명체의 다양한 주기적 진동(oscillation)신호들이 동기화(synchronization)되는 보편적인 원리를 규명했다.
曺교수팀은 이번 연구를 통해 여러 독립적인 주기적 진동신호들은 양성피드백(positive feedback)을 통해 서로의 위상에 영향을 줘 하나의 동일한 위상으로 수렴되는 현상을 밝혀냈다.
특히 양성피드백은 이중활성(double activation) 또는 이중억제(double inhibition)의 구조로 구현된다. 이중활성피드백은 연결시간지연이 짧을 때, 이중억제피드백은 연결시간지연이 길 때 보다 안정적인 신호동기화를 가능하게 했다.
또한, 노이즈(noise) 교란이 있을 때 이중활성피드백은 진동신호의 주기보다 진폭을 안정적으로 유지하는 반면 이중억제피드백은 연결강도에 불규칙한 변화가 주어졌을 때 일정한 주기와 진폭을 유지시켜줬다. 현존하는 대부분의 현상들이 이러한 원칙을 따르고 있었다.
이번에 규명된 원리는 생체내 주기적 진동신호의 동기화가 교란될 때 발생하는 뇌질환 등 여러 질병의 원인을 새롭게 조명하는 계기를 마련할 것으로 기대된다.
이번 연구는 기존 생명과학의 난제에 대해 IT융합기술인 시스템생물학(Systems Biology) 연구를 통해 해답을 제시할 수 있음을 보여줬으며, 향후 생명과학 연구에 있어서 가상세포실험의 무한한 가능성을 제시했다.
曺교수는 “생명체는 복잡하게 얽혀있는 것으로 보이는 네트워크속에 이와 같이 정교한 진화적 설계원리를 간직하고 있었다”며 “이러한 규칙들은 임의로 수많은 디지털 진동자들을 만들어 인공진화를 통해 신호의 동기화 현상을 관측하였을 때에도 마찬가지로 성립된다는 흥미로운 사실을 확인했다”고 말했다.
이 연구는 교육과학기술부가 지원하는 한국연구재단 연구사업의 일환으로 수행되었으며, 연구결과는 세포생물학 분야 권위지인 세포과학저널(Journal of Cell Science) 2010년 1월 26일자 온라인판에 게재됐다.
세포생물학 실험결과만을 출판하는 이 저널에 순수 컴퓨터시뮬레이션만으로 수행된 가상세포실험 연구결과가 게재된 것은 매우 이례적인 일이다.
인터넷주소: http://jcs.biologists.org/cgi/content/abstract/jcs.060061v1
<용어설명>◯ 양성피드백(positive feedback): 서로 연결되어 있는 두 요소 사이에 어느 하나의 변화가 결과적으로 스스로를 동일한 방향으로 더욱 변화시키는 형태의 연결구조.
<사진설명>◯ 설명: A: 서로 상호작용하는 두 생체신호 진동자(oscillator)들의 예시. B: 이중활성 양성피드백으로 연결된 진동자들. C: 이중억제 양성피드백으로 연결된 진동자들. D: 연결강도에 따라 진동신호 동기화에 소요되는 시간. E: 연결강도 증가에 따라 점차 진동신호 동기화가 되어가는 모습의 예시 (좌측의 비동기화 진동신호들이 점차 우측의 동기화된 진동신호들로 변화되어 가는 과정을 나타냄).
2010.02.02 조회수 19453 -
한국뇌연구원 대덕특구 유치 위한 6개 기관 MOU 체결
- 대전광역시, KAIST, 생명(연), 표준(연), 서울아산병원, SK주식회사 등
- 국내외 협력연구 통한 파킨슨병, 알츠하이머병 등 대표적 뇌질환의 원인을 규명하고 치료, 진단, 재활공학에 대한 원천 융합연구 수행 예정
관련 연구분야에서 국내 최고 수준을 자랑하고 있는 6개 기관이 ‘(가칭)한국뇌연구원 대덕특구 유치’를 위해 힘을 모은다.
우리나라를 대표하는 연구중심대학 KAIST(총장 서남표), 과학과 창조의 도시인 대전광역시(시장 박성효), 생명공학의 대표 연구소인 한국생명공학연구원(원장 박영훈), 국내 표준을 이끄는 연구개발기관인 한국표준과학연구원(원장 김명수), 국내 최고의 의료기관인 서울아산병원(원장 이정신), 생명과학 신약개발의 선두주자 SK주식회사(사장 박영호) 등 6개 기관이 오는 14일(수) KAIST 본관 1층 회의실에서 관련 양해각서(MOU)를 체결한다.
6개 기관간의 협력을 통해 (가칭)한국뇌연구원를 대덕특구에 유치하게 되면 KAIST의 기초신경과학 및 뇌공학의 연구를 융합하고, 서울 아산병원의 뇌신경 연구와 임상, 생명(연)의 뇌신경센터 및 영장류센터, 표준(연)의 뇌자도(腦磁圖) 개발의 원천기술, 한국 최초로 뇌질환 치료제를 상용화한 SK주식회사의 신약개발 연구진 등의 역량과 기술을 통합하여 뇌연구 및 뇌질환 관련 치료제 개발에 획기적인 성과를 이뤄낼 수 있다고 이들 기관은 밝혔다.
이들 6개 기관은 일본 이화학연구소, 독일 막스플랑크연구소, 스위스 로잔공대 및 호주 퀸즈랜드대학의 뇌연구소 등의 세계적인 뇌 연구기관들과 상호협력 협정을 이미 체결하였으며, 국제 신경과학회(The Society for Neuroscience) 회장을 역임한 세계적 신경과학자인 데니스 최 교수(미국 에모리대학)의 지원과 자문을 바탕으로 세계적인 연구 네트워크를 이미 구축하고 있다.
(가칭)한국뇌연구원은 3만3,000㎡(약 1만평) 규모로 건설될 예정이며, 신경과학, 뇌공학, 의약학의 융합연구를 통해 뇌의 신비를 밝히고, 이를 통해 뇌질환 질병극복 및 수명연장, 국가 신성장 동력 창출을 목표로 기획되었다. 중앙정부와 대전광역시의 적극적인 예산 및 운영 지원 계획에 따라 2020년까지 총 3천297억원의 예산이 투입될 예정이다.
<참고자료>
□ KAIST(총장 서남표)는 파킨슨병, 알츠하이머병의 근본 원인인 신경세포내의 미토콘드리아 사멸의 기전과 뇌의 체온조절의 신비를 밝혔고, 이러한 연구 결과가 Cell, Nature, PNAS 등의 유명학술지에 10편의 논문이 게재되는 등 국내 기초 신경과학 연구의 선두주자 역할을 하고 있음. 또한 뇌과학연구센터와 3T fMRI센터 등의 뇌공학 인프라를 통해 국내최고의 뇌공학 연구진을 확보하였으며, 지난 10년간 뇌질환의 근본 원인 규명, 뇌정보처리 원리의 규명, 진단 및 재생/재활 공학에 대한 세계적 수준의 연구를 수행하고 있음.
□ 한국생명공학연구원(원장 박영훈)은 명실상부한 국내 생명공학 대표연구소로서 유전체, 단백체 의학연구와 융합기술을 기반으로 하여 뇌신경연구센터와 국내 유일의 국립영장류센터를 통한 파킨슨병, 알츠하이머병 등 신경정신질환 치료제 개발에 힘쓰고 있음.
□ 한국표준과학연구원(원장 김명수)은 차세대 뇌기능 연구의 중요한 도구인 뇌자도(腦磁圖) 측정장치를 국내에서 유일하게 개발하였으며, 이 장치를 해외에도 설치한 바 있음. 이 장치는 뇌기능 및 인지기능 연구, 간질진단 등 뇌기능 연구의 정확성을 높이기 위한 차세대 영상장비임.
□ 서울아산병원(원장 이정신)의 뇌신경연구단에서는 각종 신경계 질환 및 노화의 포괄적 연구를 통해 관련 질환의 이해, 예방 및 치료를 목표로 현재 신경세포의 사멸기전, 산화성 스트레스, 염증반응 등의 병리기전을 규명하는 기초분야와 뇌졸중과 치매, 파킨슨병 등의 임상적 활용을 추구하는 임상분야간의 유기적인 협력체계 하에서 활발한 연구가 진행되고 있음.
□ SK그룹 지주회사인 SK주식회사(사장 박영호)는 최근에 독자 개발한 신약이 다국적 제약사의 임상실험을 마치고 상업화 될 예정임. 미국 존슨앤존슨이 간질치료제 카리스바메이트에 대한 임상실험을 마치고 미국 식품의약품국에 신약판매 허가를 신청했음. SK주식회사 관계자에 따르면, 간질 치료제 시장이 40억 달러 규모에 달하며, 카리스바메이트 판매액의 일정 부분을 존슨앤존슨으로부터 로열티로 받는 점을 감안하면 상당한 규모의 안정적인 캐시카우(Cash Cow, 높은 시장수익성을 바탕으로 장기간에 걸쳐 기업에 막대한 현금유동성을 제공해주는 사업 분야)를 확보하게 된다고 함.
2009.01.14 조회수 18482 -
김은준교수팀, 시냅스 생성 단백질 발견
- 흥분성 시냅스 생성 촉진하는 새로운 단백질‘엔지엘’발견
- 정신분열증을 비롯한 다양한 뇌질환 발병 원리 추정 가능
- 네이처 뉴로사이언스誌 9월호 게재
사람의 뇌에서 시냅스의 생성을 촉진하는 새로운 단백질이 국내 연구진에 의해 발견됐다.
KAIST(총장 서남표) 생명과학과 김은준(金恩俊, 42 / 시냅스생성 창의연구단 단장) 교수팀이 ‘엔지엘(NGL)’ 단백질이 흥분성 시냅스의 생성에 관여한다는 새로운 사실을 발견, 오는 18일 발표되는 신경과학 권위지인 ‘네이처 뉴로사이언스誌(Nature Neuroscience)" 9월호에 게재된다고 밝혔다.
金 교수팀은 後시냅스에 위치한 ‘엔지엘’이란 막단백질이 前시냅스의 네트린지(netrin-G)라는 다른 막단백질과 연결되면서 가교 역할을 하여 새로운 시냅스 생성을 촉진하는 것을 발견했다.
‘엔지엘’은 뉴로리긴(neuoroligin)에 이어 세계에서 두 번째로 새롭게 발견된 시냅스 가교 단백질이다. 이 새로운 단백질의 발견으로 시냅스 생성 원리와 다양한 뇌질환 발병 원인을 추정할 수 있게 되었다.
우리 뇌는 약 1000억개 이상의 신경세포와 각 세포당 1만 여개의 시냅스로 신경회로망을 구성하고 있다. 시냅스는 신경세포 사이에 신경전달이 일어나는 장소다. 시냅스의 생성은 신경회로의 생성으로 연결되고, 신경회로는 정상적인 뇌발달이나 뇌기능뿐만 아니라 다양한 뇌질환과도 관련이 깊다.
金 교수는 “엔지엘과 연결되어 있는 네트린지(netrin-G)가 정신분열증 (schizophrenia)과 관련이 있고, 엔지엘과 비슷한 기능을 가진 다른 시냅스 가교 단백질인 뉴로리긴이 정신지체(mental retardation) 및 자폐증(autism)과 관련이 깊은 만큼, 엔지엘도 정신분열증을 비롯한 다양한 뇌질환과 관련이 있을 것으로 보인다"라고 말했다.
<첨부사진 설명>
■ 사진 1: 엔지엘의 시냅스 생성 능력 확인 실험 1
표면에 엔지엘을 발현하고 있는 일반세포(녹색)와 신경세포를 섞어 준다. 축색돌기(axon)가 약 10시 방향에서 가운데 위치해 있는 엔지엘(일반세포)쪽으로 뻗어 나오다가 엔지엘을 만나게 되는데, 이 때 엔지엘은 접촉하는 축색돌기 안에 前시냅스(붉은색)의 형성을 유도한다. 前시냅스의 형성 여부는 시냅신(Synapsin)이라는 前시냅스 단백질의 형광 염색(붉은색)으로 알 수 있다.
- 그림a-b : 엔지엘에 의한 시냅스 형성
- 그림c-d : 시냅스 생성능력이 소멸된 변형 엔지엘은 시냅스 생성 못함
■ 사진 2: 엔지엘의 시냅스 생성 능력 확인 실험 2
표면에 엔지엘을 코팅시킨 구슬을 신경세포 위에 뿌려주면 구슬이 신경세포의 축색돌기와 접촉하게 된다(구슬들은 가운데 패널의 위상차 이미지에서 명확히 보임). 이때 엔지엘은 축색돌기 안에 前시냅스(붉은색)의 형성을 유도한다. 전시냅스의 형성 여부는 시냅토파이진(SynPhy; a 패널) 또는 비글룻(VGlut1; b패널)이라는 前시냅스 단백질의 형광 염색(붉은색)으로 알 수 있다.
2006.09.19 조회수 16163