신경세포 변화 실시간으로 본다… “퇴행성 뇌질환 치료 실마리”

KIST 연구진, 신경세포 구조 세밀하게 볼 수 있는 기술 개발
최대 72시간 동안 신경세포의 변화 모니터링 성공

신경세포(뉴런)의 실시간 고해상도 시각화 기술인 뉴엠(NeuM)을 개발한 김윤경 한국과학기술연구원(KIST) 책임연구원 연구진./한국과학기술연구원(KIST)

국내 연구진이 신경계 질환의 발병 메커니즘을 밝히고, 치료제를 만들기 위해 질병 상태에서 신경세포(뉴런, Neuron)의 변화를 시각화할 수 있는 표지(Labeling) 기술을 개발했다.

김윤경 한국과학기술연구원(KIST) 뇌과학연구소 책임연구원 연구진은 장영태 포스텍 화학과 교수 연구진과 함께 차세대 뉴런 표지 기술인 ‘뉴엠(NeuM·Neuronal Membrane-selective)’을 개발했다고 21일 밝혔다. 뉴엠은 신경세포막을 표지해 뉴런구조를 시각화하고 변화양상을 실시간으로 모니터링할 수 있는 차세대 형광 표지 기술이다.

뇌졸중과 함께 3대 노인성 질환으로 꼽히는 알츠하이머 치매와 파킨슨병은 신경세포인 뉴런의 기능이상과 점진적 퇴행으로 발병하는 신경계 질환이다. 이 과정에서 뉴런은 감각기관으로 받아들인 정보를 뇌로 전달해 생각, 기억, 행동을 조절하기 위해 구조와 기능을 계속해서 변화시킨다.

퇴행성 신경질환을 극복하기 위해서는 살아있는 뉴런을 선택적으로 표지해 실시간으로 모니터링하는 기술 개발이 필요했다. 하지만 뉴런을 관찰하기 위해 현재 가장 많이 사용하고 있는 유전자 기반 표지 기술과 항체 기반 표지 기술은 특정 유전자의 발현이나 단백질에 의존하기 때문에 정확성이 낮고 장기간 추적 관찰하는 데 어려움이 있었다.

신경세포막 선택적 형광 표지 기술 '뉴엠'의 작동 과정./한국과학기술연구원(KIST)

이에 연구진은 신경세포의 분자 설계를 통해 뉴엠을 개발했다. 뉴엠은 신경세포막에 우수한 결합력을 갖고 있어 뉴런의 장기 추적관찰과 고해상도 이미징이 가능하다. 뉴엠에 존재하는 형광 프로브(Probe)는 살아있는 세포의 활성을 이용해 신경세포막에 결합한 뒤 프로브 내의 형광 성분을 특정 파장의 빛으로 방출한다. 이를 통해 신경세포의 막을 시각화하면 신경세포 말단구조를 세밀하게 관찰할 수 있다. 신경세포의 분화나 신경세포 간 상호작용도 고해상도로 모니터링이 가능하다.

뉴엠은 살아있는 신경세포 속으로 들어가는 ‘세포내이입(Endocytosis)’을 통해 세포막을 염색하는 최초의 기술이다. 따라서 세포내이입이 일어나지 않는 죽은 세포에는 반응하지 않는다. 또 6시간에 불과했던 신경세포의 관찰 시간을 최대 72시간까지 늘리는 데 성공해 외부 환경 변화에 따라 살아있는 신경세포가 장시간 동안 어떤 동적인 변화 과정을 거치는지 포착할 수 있게 됐다.

뉴엠은 아직 치료제가 없는 퇴행성 신경질환의 연구와 치료법 개발에 실마리를 제공할 것으로 기대된다. 퇴행성 뇌질환은 아밀로이드와 같은 독성 단백질 생성과 염증 물질의 유입으로 신경세포가 손상돼 발생한다. 뉴엠은 신경세포의 변화를 더욱 정밀하게 관찰해 치료 후보물질의 효능을 평가하는 데 효과적으로 활용될 수 있다.

김윤경 책임연구원은 “이번에 개발한 뉴엠은 노화나 질병으로 인해 퇴행하는 신경세포를 구분할 수 있어 퇴행성 뇌질환의 발생 메커니즘을 규명하고 치료법 개발에 중요한 도구가 될 것”이라며 “앞으로는 지금보다 더 정밀한 신경세포의 분석을 위해 형광 파장 제어설계를 통해 녹색, 빨강과 같은 색을 구분할 수 있도록 고도화할 계획”이라고 전했다.

이번 연구 성과는 국제 학술지 ‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie)’에 지난 1월 게재됐다.

참고 자료

Angewandte Chemie(2024), DOI: https://doi.org/10.1002/anie.202312942

- Copyright ⓒ 조선비즈 & Chosun.com -