수술없이 초음파로 뇌질환 치료한다

2019.10.04 09:40
이창준 기초과학연구원(IBS) 인지및사회성연구단 인지교세포과학그룹 단장 연구팀이 저강도 초음파에 의한 신경세포 조절 메커니즘을 규명했다. IBS 제공
이창준 기초과학연구원(IBS) 인지및사회성연구단 인지교세포과학그룹 단장 연구팀이 저강도 초음파에 의한 신경세포 조절 메커니즘을 규명했다. IBS 제공

국내 연구팀이 세포 조직에 손상을 주지 않는 낮은 에너지의 초음파를 쪼여 신경세포를 조절하는 방법을 개발했다.  수술을 통해 뇌에 전극을 삽입하지 않고 초음파만 가해 치매나 파킨슨병, 우울증 등 뇌질환을 치료할 수 있는 가능성이 머지 않아 열릴 것이라는 평가다. 


이창준 기초과학연구원(IBS) 인지및사회성연구단 인지교세포과학그룹 단장 연구팀은 저강도 초음파에 의한 신경세포 조절 메커니즘을 규명했다는 연구결과를 국제학술지 ‘커런트 바이올로지’ 4일 온라인판에 발표했다. 한국과학기술연구원(KIST)와 경희대 동서의학대학원 연구팀도 함께 연구에 참여했다.


뇌심부자극술은 금속 전극을 이용한 전기 자극으로 뇌 활동을 자극하거나 방해하는 시술이다. 예를 들어 도파민의 분비가 멈춰 발생하는 파킨슨 병의 경우 뇌심부자극술을 통해 신경세포의 신호 전달을 활성화시켜 증상을 완화할 수 있다. 뇌심부자극술은 금속 전극을 뇌 깊숙이 삽입하는 수술이 필요하다. 수술이 필요없는 초음파 뇌자극술이 그 대안으로 주목받고 있지만 초음파에 의한 신경세포 조절 메커니즘은 아직 명확히 밝혀지지 않았다.

 

별세포를 통한 저강도 초음파의 신경조절 메커니즘을 나타냈다. 저강도 초음파에 의해 별세포에 발현하고 있는 기계수용칼슘채널 TRPA1이 활성화되어 별세포 내 칼슘이 유입된다. 세포내 칼슘에 의해 Best1 채널이 활성화되면 이 채널을 통해 흥분성 신경전달물질인 글루타메이트가 시냅스로 분비되고 글루타메이트는 신경세포의 NMDA 수용체에 결합하여 신경세포의 활성을 유도하게 된다. IBS 제공
별세포를 통한 저강도 초음파의 신경조절 메커니즘을 나타냈다. 저강도 초음파에 의해 별세포에 발현하고 있는 기계수용칼슘채널 TRPA1이 활성화되어 별세포 내 칼슘이 유입된다. 세포내 칼슘에 의해 Best1 채널이 활성화되면 이 채널을 통해 흥분성 신경전달물질인 글루타메이트가 시냅스로 분비되고 글루타메이트는 신경세포의 NMDA 수용체에 결합하여 신경세포의 활성을 유도하게 된다. IBS 제공

연구팀은 초음파에 의한 신경세포 조절이 별세포의 기계수용칼슘채널인 ‘TRPA1’에서 시작되는데 주목했다. 별세포는 뇌에서 가장 많은 수를 차지하는 별 모양의 비신경세포을 뜻하며 기계수용칼슘채널은 세포막의 기계적 자극에 의해 활성화되는 통로이다. 이 채널을 매개로 해 세포 내로 칼슘이 유입된다.


연구팀이 기계수용칼슘채널 TRPA1을 관찰한 결과, 저강도 초음파에 의해 별세포의 TRPA1이 활성화되면 별세포로부터 흥분성 신경전달물질인 글루타메이트가 분비되고, 차례로 신경세포의 활성도 유도되는 것으로 나타났다. 


실제로 TRAP1이 있는 쥐와 그렇지 않은 쥐를 대상으로 저강도 초음파에 의한 신경세포 발화 정도를 살펴본 실험에서도 TRPA1이 있는 경우 저강도 초음파에 의해 신경세포 발화가 증가했고 TRPA1가 없으면 신경세포 발화가 거의 관찰되지 않았다. 저강도 초음파로 쥐의 꼬리 움직임을 유도하는 뇌 부분을 자극한 결과, TRPA1이 있는 쥐는 꼬리 움직임이 활발한 반면 TRPA1이 없는 쥐는 꼬리 움직임이 감소하기도 했다.


공동1저자로 연구에 참여한 오수진 KIST 선임연구원은 “이번 연구는 저강도 초음파에 의한 신경세포 조절 메커니즘을 분자 수준에서 개체 수준에 이르기까지 전반적으로 규명했다는데 의의가 있다”고 말했다. 이 단장은 “초음파의 센서 역할을 하는 유전자를 각종 뇌질환 치료에 적용하는 연구와 함께 초음파유전학으로 발전시키는 후속 연구를 할 계획”이라고 말했다.
 

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