장동표 생체의공학과 교수 연구팀이 공동연구를 통해 뇌 심부에 삽입해 신경화학 정보를 측정한 뒤 저절로 녹아 사라지는 전자 의료시스템을 개발했다. 이는 향후 신경전달물질과 관련한 파킨슨병 등 뇌 질환을 치료하는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 이번 논문은 연구의 우수성을 인정받아 세계적으로 최고 권위를 자랑하는 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials, IF: 30.849)’의 4월호 표지를 장식했다.

뇌 안의 신경세포가 분비하는 신경전달물질 중 도파민은 동기부여, 쾌락, 성취감 등 의욕을 높이는 감정에 관여해 행복 호르몬이라 불리기도 한다. 하지만 과다 분출되거나 부족한 경우 각종 뇌질환과 증상을 유발할 수 있다. 특히 파킨슨병은 손 떨림, 보행장애 등을 수반하는 퇴행성 뇌 질환 중 하나로 도파민의 농도가 부족해지면 발생된다. 그동안 도파민 등 신경전달물질의 측정 기술을 연구해 온 장동표 교수는 고려대학교 KU-KIST 공동연구팀과 함께 뇌 심부에 삽입해 실시간으로 도파민의 농도를 측정한 뒤 30여 일 후 스스로 생분해되는 전자 의료시스템을 개발했다.

그동안 뇌질환 연구에서 전기적 신호를 측정하는 기술은 많았으나, 화학적 신경전달물질을 정확하게 측정하고 뇌내 다양한 생리학적 지표들을 종합적으로 분석할 수 있는 유연한 소재의 전자회로는 없었다. 반면 공동연구팀이 개발한 측정 기술은 부드러운 형태로 신체 안에 삽입해 장기에 부착하기 용이할 뿐 아니라, 생분해 성분이라 체내 대사 과정에 의해 저절로 녹아 흡수된다는 특장점을 가진다. 

공동연구팀은 뇌 속 도파민의 실시간 농도 변화를 측정하기 위해 금속성 2차원 촉매인 ‘전이금속 칼코게나이드’라는 신소재를 개발했다. 이는 이황화몰리브데넘(MoS2)과 이황화텅스텐(WS2)을 이용해 높은 표면 음전위와 뛰어난 화학 반응성을 갖게 되면서 체내 도파민 분자를 효과적으로 전기신호로 변환해준다. 또한 대사 과정에 의해 분해되는 특성이 있어 측정 후 이를 제거하기 위해 추가 수술을 하지 않아도 돼 편리하다.

연구진은 2차원 촉매와 나노박막 실리콘을 결합해 센서 시스템을 제작하여 생쥐의 뇌에 삽입한 뒤 도파민의 실시간 농도 변화를 4주 이상 무선으로 모니터링하고, 뇌 활동과 관련된 pH/온도 변화, 전기신호를 동시에 수집하는 데 성공했다.

장 교수는 “평소 동물실험을 하며 일정 기간 측정한 후에 생체 내에서 자연분해되는 시스템이 있으면 좋겠다고 생각했다. 그러다 4년 전 생체재료학회에서 생분해성 생체 삽입형 전자소자를 개발하는 고려대학교 KU-KIST 융합대학원의 황석원 교수님을 만났다. 공동연구를 제안해 함께 연구를 시작하게 됐습니다”며 새로운 방법을 시도한 계기를 밝혔다.

이번 연구는 약물 주입 후 신체 반응이나 뇌졸중 수술 후 회복과정을 모니터링하며 치료 효과를 높이는 등 다양한 분야에 유용하게 활용할 수 있다. 향후 세로토닌 등 다른 신경전달물질도 측정해 다양한 뇌 질환 연구 및 치료로 확장하고, 심장이나 신장 등 다른 기관에도 적용할 수 있을 것으로 기대된다.