파킨슨병, 간질 등 뇌 신경 관련 질환 조기 진단 및 치료에 사용 기대
한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박현민)은 파킨슨병, 간질 등 뇌 신경 관련 질환과 관련된 중요한 신경전달물질인 도파민의 농도를 정량적으로 검출해 정확히 측정할 수 있는 기술을 개발하는 데 성공했다.
이번 기술은 도파민 검출 여부를 나노구조에 기반한 디지털 신호 기법으로 하나씩 세는 방법을 적용해 전체 측정 신호를 합산해 분석하는 기존 기술보다 훨씬 더 정확하다는 장점이 있다.
향후 뇌 신경 관련 질환의 조기 진단 및 치료를 위한 모니터링에 활용할 수 있을 것으로 전망된다.
퇴행성 뇌질환의 하나인 파킨슨병은 도파민을 분비하는 부분의 신경세포가 손상됐을 때 발생한다.
알코올·쇼핑·니코틴 등 다양한 중독증상의 경우, 뇌에서 도파민 분비량이 과도해지면 충동을 조절하는 뇌의 전두엽을 계속 자극해 자신의 충동을 억제하지 못해 나타날 수 있다.
이처럼 도파민은 다양한 뇌 활동 및 생리학적 상황과 관련된 중요한 신경전달물질이다. 대사활동 및 면역체계를 조절하는 면역조절과도 관련된 물질이기 때문에, 도파민의 수치 변화는 다양한 뇌 신경 관련 질환을 진단하는 데 매우 중요하다.
뇌 신경 질환을 진단하기 위한 도파민의 수치 변화를 측정하려면 1 pM(피코몰, 1조 분의 1 몰) 수준까지 정확하게 검출할 수 있는 센서가 필요하다.
대표적으로 개발된 기술 중 하나인 전기화학센서는 고감도로 신속하게 검출할 수 있지만, 측정원리 상 전위가 비슷한 물질들은 구분이 어렵기에 정확성이 떨어진다는 단점을 갖는다.
KRISS 소재융합측정연구소 유은아 책임연구원은 미국 버지니아 공대와 공동연구를 통해 초고감도로 도파민을 정확하고 정량적으로 검출할 수 있는 디지털 표면증강라만분광(SERS) 센싱 플랫폼을 개발했다.
이는 세계 최초로 제시한 새로운 형태의 나노구조기반 디지털 센싱 플랫폼이다.
표면증강라만분광 (surface-enhanced Raman spectroscopy, SERS)는 금이나 은 같은 플라즈모닉 금속 표면 위에 붙은 분자들의 증폭된 라만 산란효과를 이용해서 분자 검출 혹은 특성을 분석할 수 있는 기술이다.
공동연구팀은 3차원 나노구조 층과 검출대상인 도파민을 선택적으로 인식할 수 있는 분자로 개질된 금 나노입자를 이용해, 도파민이 붙게 되면 강한 SERS 신호를 낼 수 있는 Hotspot 구조를 만들었다.
Hotspot은 금이나 은 같은 플라즈모닉 금속이 서로 매우 가깝게 있을 때(보통 수 나노미터 이내) 생기는 매우 강한 전자기장 영역으로, Hotspot 안에 분자가 있을 때 매우 강한 SERS 신호를 얻을 수 있다.
나노구조 금 표면 위에 도파민이 붙은 곳을 인식하는 금 나노입자로 인해 Hotspot에서 발생한 강한 SERS 신호가 나오는 곳을 ‘on’으로 없는 곳을 ‘off’로 세는 디지털 신호 분석을 수행했다.
이를 통해 정확한 검출이 어려웠던 1 pM까지 초고감도·선택성·정량성을 확보하며 도파민을 검출하는 데 성공했다.
KRISS 소재융합측정연구소 유은아 책임연구원은 “이번 기술은 실제 사람의 뇌척수액 등의 임상 시료에 바로 적용할 수 있어 응용성이 크다”며 “향후 알츠하이머, 코로나19 바이러스 등과 같은 질병 및 감염병 관련 물질을 극저농도에서 고신뢰도로 정량 검출하는 기술을 개발할 예정”이라고 밝혔다.
산업통상자원부 정밀의료기술 초융합 상용화지원 플랫폼 구축 사업과 KRISS 주요사업의 지원을 받은 이번 연구성과는 나노분야의 세계적 전문학술지인 나노스케일(Nanoscale, IF: 7.790)에 11월 표지 논문으로 게재됐다.
