- 뇌 표면에 밀착 가능한 ‘형상변형 전자패치’ 개발
- 동물실험에서 초음파로 뇌전증 제어 성공

기초과학연구원(IBS) 뇌과학 이미징 연구단에서 대뇌 표면에 견고하게 밀착할 수 있는 ‘신축성 전자패치’를 개발했다. 이를 통해 뇌 질환을 앓고 있는 환자 개개인에 맞춘 ‘전자약(electronic drug)’ 기술을 최초 구현했다. 전자약이란, 질병 치료 및 생체활동 회복 기능을 가진 전자장치를 일컫는 말이다.

난치성 뇌 질환 치료의 원리

약물 치료가 통하지 않는 난치성 뇌 질환 환자는 전 세계적으로 수천만 명에 달한다. 이들 질환은 파킨슨병과 같은 퇴행성 질환부터, 우울증과 같은 신경정신질환에서 약물 저항이 발생하는 경우, 그리고 그 외의 희귀성 질환까지 다양하다.

이를 치료하기 위해 병증이 발생한 조직을 자극해 증상을 완화하는 ‘경두개 집속초음파 신경자극술(Transcranial Focused Ultrasound, tFUS)’이 등장한 바 있다. 두피에 변환기를 장착하고, 초음파를 두개골에 투과시켜 뇌 조직의 특정 지점에 집중시키는 방식이다.

하지만 뇌 신경의 구조는 개인마다 다르다. 이 때문에 고정된 조건으로 신경자극을 가할 경우, 치료 효과가 일관되게 나타나지 않는 문제가 있었다. 개인에 따라서는 오히려 증상을 악화시키는 경우도 있었다.

이러한 문제를 극복하기 위해, ‘폐 루프 신경자극술(Peripheral Nerve Stimulation, PNS)’이 제안됐다. 초음파로 말초 신경을 자극하고 그에 따른 전기적 뇌파 변화를 감지해, 개인에게 맞는 자극 조건을 맞춤 제공하는 방식이다.

이는 초음파 기반의 신경치료체계를 확립하기 위해 무엇이 필요한지를 보여준다. 대뇌 표면에서 발생하는 전기신호(대뇌피질전도)를 실시간으로 감지해 활용할 수 있는 ‘뇌파 계측 기술(EEG)’이 필수적이라는 의미다.

기존 소재의 한계를 극복한 형상변환 전자패치

대뇌피질전도를 계측하는 데 사용하던 기존의 전극 소자는 강성이 높고 형태 적응성이 낮았다. 쉽게 말해 ‘딱딱한 성질을 갖고 있고, 고정된 형태를 유연하게 바꾸기 어렵다’라는 뜻이다. 이런 소재는 복잡한 굴곡이 있는 뇌 조직의 표면에 적용할 수 없다. 또한, 뇌의 미세한 움직임으로 인해 견고하게 고정되기도 어렵다. 장시간에 걸친 뇌파 계측에 한계가 있다는 것이다.

또한, 초음파 자극을 가할 경우 접촉면에서 음압 진동이 발생한다. 이때 음압 진동에 의해 극심한 잡음이 발생하기 때문에, 신경자극술을 수행하는 동안 전기적 뇌파를 측정할 수가 없다. 피드백 정보로 활용할 수 없다는 의미다.

연구진은 이러한 한계들을 해결하는 데 집중했다. 대뇌피질의 표면을 따라 정교하게 밀착되면서도, 조직 표면에 견고하게 부착될 수 있는 소재로 측정용 패치를 개발했다. ‘접착 하이드로 젤’과 ‘형상변형 기판’을 사용해 이중으로 구성한 패치와, 신축성이 있는 다중채널 미세전극소자를 결합해 제작한 ‘형상변형 대뇌피질접착 신축성 전자패치(이하 형상변형 전자패치)’다.

형상변형 전자패치는 접착 하이드로 젤이 대뇌 접촉면에서 체액과 상호작용해 표면에 부착된다. 형상변형 기판의 소재는 형태 변화가 용이한 데다가 주변 온도가 높으면 물성이 부드러워지는 성질(열 가소성)을 갖고 있다.

대뇌피질은 불규칙한 단차를 띠고 있고, 신체 온도에 따라 온도가 변한다. 형상변형 전자패치에 사용된 소재들은 이러한 환경에서도 견고한 밀착이 가능하다. 초음파 자극에 의한 음압 진동에도 잡음을 발생시키지 않을 정도로 정밀하게 고정될 수 있기 때문에, 대뇌피질전도를 높은 품질로 측정할 수 있다.

실시간 뇌파 진단 및 치료 자극 가능

이를 통해 연구진은 초음파 자극이 연속으로 가해지는 환경에서 뇌파 변화를 실시간으로 진단할 수 있는 방법을 개발했다. 이는 실시간으로 뇌파를 모니터링하면서, 적절한 조건으로 조정된 신경 자극을 제공할 수 있다는 뜻이다. 즉, 환자 개인의 뇌파 패턴에 따라 최적화된 자극을 가할 수 있다는 의미다. ‘전자약’이라는 표현이 딱 알맞는 대목이다.

그렇다면 이러한 뇌파 모니터링은 대상이 자유롭게 움직이는 상태에서도 가능할까? 이를 검토하기 위해, 연구진은 뇌전증이 유발된 쥐에게 형상변형 전자패치를 적용해 뇌파 모니터링 안정성을 검토했다. 그 결과 활발하게 움직이는 동안에도 모니터링 안정성이 유지된다는 것을 확인했다.

한편, 뇌전증 발작이 나타나기 전 발생하는 고주파 신호를 포착해, 발작 증상이 나타나기 전 이를 예측하고 초음파 자극을 가동해 발작을 억제하는 결과를 보였다. 초음파 자극이 가해지는 동안, 치료 효과가 충분치 않으면 자극 조건을 조정해 발작을 억제하는 것도 확인할 수 있었다.

성균관대학교 전자전기공학부 교수인 손동희 연구위원은 “초음파 자극에 반응하는 개별 환자의 뇌 신경 활동을 실시간 계측할 수 있게 한 최초 사례”라며 “난치성 신경질환의 정밀 진단 및 개인맞춤형 치료를 가능하게 하는 ‘차세대 전자약 핵심기술’로 자리할 것으로 기대된다”라고 이야기했다.

본 연구결과는 「네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)」(IF=33.7)에 지난 11일(수) 온라인 게재됐다.