성균관대학교(총장 유지범) 글로벌바이오메디컬공학과 김태형 교수 연구팀은 살아있는 줄기세포 유래 신경세포와 3차원 중뇌 오가노이드에서 방출되는 도파민을 실시간으로, 세포 파괴 없이 정밀하게 측정할 수 있는 전기화학 플랫폼 ‘SIDNEY’(Smart Interfacial Dopaminesensing platform for NEurons and organoid physiologY)를 개발했다고 밝혔다.

최근 현대 과학계에서는 줄기세포를 활용해 인간의 장기와 유사한 조직을 만드는 ‘오가노이드(장기 유사체)’ 기술이 뇌 질환 연구와 신약 개발의 핵심 모델로 주목받고 있다. 특히 도파민을 생성하는 신경세포 모델은 파킨슨병이나 조현병과 같은 난치성 질환 연구에 필수적이다.

▲(왼쪽부터) 성균관대 김태형 교수, 강민지 박사과정 학생,

    조연우 박사후연구원

하지만 지금까지는 세포가 실제로 도파민을 제대로 방출하는지 확인하기 위해 세포를 파괴하거나 복잡한 화학 물질을 처리해야만 했다. 이로 인해 살아있는 상태 그대로의 변화를 실시간으로 관찰하는 데에는 큰 한계가 있었다.

김태형 교수 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 나노 기술을 접목한 혁신적인 전극 구조를 설계했다. 연구팀이 개발한 SIDNEY 플랫폼은 수직으로 정렬된 금 나노 기둥(나노필라) 위에 금 나노 입자를 이중으로 쌓고, 그 표면을 ‘꿈의 소재’라 불리는 그래핀으로 정교하게 감싼 구조를 가지고 있다. 이 특수 전극은 전기 전도성이 뛰어날 뿐만 아니라, 특정 분자만을 선택적으로 감지하는 능력이 탁월해 뇌 속의 복잡한 환경에서도 도파민의 신호를 명확하게 잡아낼 수 있다.

 연구 결과에 따르면, SIDNEY 플랫폼은 실제 뇌 환경과 유사한 조건에서 아주 미세한 양의 도파민(7.51 nM)까지 검출해낼 수 있는 높은 민감도를 보였다. 이는 기존의 평면 전극보다 수십 배 향상된 성능이다. 또한, 구조가 비슷해 구분이 어려운 세로토닌이나 노르에피네프린 같은 물질 사이에서도 도파민만을 정확하게 골라내어 검출하는 데 성공해 생체 내 환경에서의 실용성을 입증했다.

 특히 이번 연구의 가장 큰 성과는 2차원 세포 모델을 넘어, 실제 뇌 구조와 유사한 3차원 중뇌 오가노이드에 이 기술을 적용했다는 점이다. 연구팀은 단일 오가노이드 수준에서 세포가 성숙해짐에 따라 도파민 방출량이 늘어나는 과정을 실시간으로 확인했다. 이는 세포를 죽이지 않고도 오가노이드가 얼마나 잘 성장했는지, 혹은 질병에 의해 기능이 얼마나 저하되었는지를 정량적으로 평가할 수 있음을 의미한다.

 김태형 교수는 “이번에 개발한 SIDNEY 플랫폼은 도파민 관련 신경 질환의 병태 생리를 깊이 있게 이해하는 데 새로운 가능성을 제시할 것”이라며, “향후 파킨슨병 치료를 위한 신약 후보 물질을 대량으로 선별하고 그 효능을 평가하는 정밀 스크리닝 도구로 활용될 것으로 기대한다”고 연구의 의의를 밝혔다.

 이번 연구 성과는 재료 과학 분야의 세계적인 권위지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials, IF=19.0)’에 12월 14일자로 게재되었으며, 한국연구재단의 나노 및 소재기술개발사업, 개인기초연구사업 및 범부처재생의료기술개발사업의 지원을 받아 수행되었다.

▲[그림1] 살아있는 신경세포 및 중뇌오가노이드의 도파민 방출 실시간 측정 플랫폼 SIDNEY의 개요도

▲[그림2] SIDNEY 플랫폼의 유도만능줄기세포(iPSC) 유래 도파민성 신경세포 및

    중뇌 오가노이드로부터 방출된 도파민 검출 결과