실시간 뇌 속 도파민 농도 측정기술 개발

- 파킨슨병과 조현병 등 치료 시스템에 활용

파킨슨병이나 조현병 환자의 도파민 농도를 실시간 측정할 수 있는 기술이 개발됐다. 

도파민은 동식물에 존재하는 아미노산의 하나이며, 뇌신경 세포의 흥분을 전달하는 역할을 한다. 뇌 질환의 근본 원인을 규명하고 이해하는 데 있어 도파민은 중요한 지표이다. 파킨슨병 환자의 뇌 속 도파민 양은 감소되어 있고, 정신분열증으로 알려진 조현병 환자는 도파민이 과다하다고 알려져 있다.

장동표 한양대학교 교수팀은 전기화학기법을 이용해 실시간으로 뇌 신경전달물질 농도 측정 기술을 개발했다. 연구 성과는 전기화학 분야 저명한 국제학술지 바이오센서스 앤 바이오일렉트로닉스(Biosensors & Bioelectronics) 8월 20일자에 논문명 <Tracking Tonic Dopamine Levels in vivo using Multiple Cyclic Square Wave Voltammetry>으로 게재됐다. 

▲ 다중 사각파형 전압을 이용해 얻어진 반응 전류 패턴의 이미징. 다중 사각파형 전압을 도파민 수용액에 가해 얻어진 주기적으로 진동하는 전류 패턴을 사각파형 전압 각각에 할당하여 전류를 재배열하였다. 재배열된 도파민의 반응 전류 패턴은 하나의 이미지로 나타내어져, 기존에 획득하던 패턴보다 더 많은 정보를 포함하고 있다.

과거에는 미세 탐침을 머리에 삽입해 뇌 속 체액의 화학물질을 채취하여 물질의 농도를 측정하는 미세투석법이나 전류법, 삼각형 전압 파형을 이용해 물질의 산화환원 전류를 획득하는 고속스캔순환전압전류법 등을 이용해 뇌 신경전달물질을 측정해왔다. 그러나 이 방법은 시시각각 변하는 도파민의 농도를 실시간 측정하는 데 한계가 있었다.

▲실험동물에서의 생체 내 도파민 농도의 측정. 다중순환 사각파형 전압전류법을 이용해, 생체 내에서의 신경전달물질의 농도를 측정하였다. 마취된 쥐의 선조체에서 평상시 도파민의 기저 농도를 측정하고, 도파민의 재흡수 억제제를 체내에 주사하여 이후 약 2시간 동안 도파민의 기저농도가 변화하는 것을 측정하였다.
  
연구팀은 도파민 농도의 실시간 측정을 위해 다중사각전압 형태의 새로운 전기화학법을 개발하고, 신경전달물질의 전기화학적 특성을 실시간 영상으로 구현될 수 있게 제작했다.

특정한 파형을 갖는 전압을 가해주면 물질이 산화환원반응을 일으켜 전류가 발생하는데, 이를 측정하고 분석하는 원리이다. 도파민의 반응 특성을 이차원 영상으로 구현함으로써, 도파민과 화학 구조가 비슷한 다른 신경전달물질과의 구분을 명확하게 할 수 있다.

특히 산화환원반응을 극대화해 생체 뇌에서 농도 0.17nM(나노몰)의 미소량의 도파민을 10초 간격으로 측정할 수 있게 되었다.

이 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(중견연구)의 지원으로 수행되었다. 

장동표 교수는 “이 연구는 뇌의 신경전달물질 기저농도의 실시간 측정을 위해 개발한 것이다”라며, "뇌과학 연구뿐만 아니라 뇌질환 환자의 치료 시스템에도 활용될 수 있을 것으로 기대된다"고 설명했다.

IT뉴스 / 김들풀 기자  itnews@