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질병 탐지하는 신경탄소섬유 개발

   심현영 기자   2018-05-09 11:00
▲(출처=셔터스톡)

美 케이스웨스턴리저브대학 연구진이 최근 신경 손상 없이 질병 진단에 활용할 수 있는 탄소 섬유를 개발했다고 밝혔다.

신경에서 내보내는 전기 신호를 분석해 건강 상태를 진단할 수 있다는 사실이 밝혀졌다. 신경 활동 추적은 질병을 진단하고 효과적인 치료법 선택에 중요한 역할을 한다.

인체에 이식하는 치료용 전자장치인 ‘전자약’은 와이어를 사용해 신경을 전기적으로 관찰 및 조작할 수 있는 치료법이다. 전자약의 주요 문제점은 생물학적인 목적으로 병용할 수 있는 와이어가 드물다는 것이다.

케이스웨스턴리저브대학 연구팀은 미국국립보건원 산하 국립생체공학연구소(NIBIB) 기금을 받아 생체에 적합한 소재를 사용해 신경에 사용할 수 있는 와이어를 개발했다.

이는 자율신경계 주요 섬유에서 전기 신호를 기록할 수 있는 고탄성 탄소나노튜브(CNT) 섬유 전극이다. 이 섬유는 금속 표면에서 추출한 수백 개 탄소 나노튜브로 제작됐으며, 머리카락의 1/100 굵기다.

CNT는 신경학자가 신경 활동을 해석할 때 직면하는 문제를 해결했다. 기존 섬유 전극 기술에 사용되는 소재는 굵고 뻣뻣한 텅스텐으로, 신경에 손상을 입힐 수 있다. 또, 기계적 특성이나 크기도 장기적인 사용에 부적합했다.

NIBIB 프로그램 마이클 볼프슨 대표는 “질병을 이해하고 치료하기 위해 자율신경계를 관찰 및 조작하는 것은 흥미로운 일이지만, 아직 개발 진행 중인 치료법”이라고 말했다.

자율신경계와 교감신경계

자율신경계(ANS)는 호흡과 혈압 등 인체 내 특정한 작용의 기능을 책임지고 있다. ANS는 복부와 장·간·신장·심장·생식기 등 내장 기관의 작용을 자동적으로 조절한다. 또, 이 시스템은 신체 작용을 주관하는 교감 신경계 및 부교감 신경계로 나뉜다.

교감신경계는 신체와 외부 정보에 관한 정보를 받은 후 신체 작용을 자극하는 반면, 부교감신경은 이 작용을 억제한다. 자율신경계가 주관하는 주요 작용에는 다음 내용이 포함된다.

1. 신체의 온도 조절

2. 소화 및 체중 관리를 포함한 신진대사

3. 칼슘과 나트륨을 포함하여 수분과 전해액 간의 균형 유지

4. 타액과 땀, 눈물 등 체액 생성

5. 배뇨 및 배설

CNT 효율 강점

신경학자는 자율신경계에 의해 조절되는 체내 작용이 많기 때문에, 와이어를 사용해 의심되는 질병의 징후나 증상을 감지한다. 하지만 현재 방법은 신경 조직에 손상을 입히거나 심지어 면역 시스템을 공격할 수도 있다. 반면 CNT는 생체 적합성을 가져 자율신경계로부터 전기 신호를 전달할 수 있다. 이는 이전에 사용했던 기술보다 10배 이상 강력하고, CNT는 신경 섬유를 온전하게 만들어 주변 소음을 제거하는 기능도 한다.

케시스웨스턴대학 도미니크 듀란드 생체의료공학과 교수는 “CNT 섬유는 실제 신경과 크기와 탄성이 비슷하다”며 “이러한 특성 때문에 특정 신경 속으로도 삽입할 수 있으며 조직에 손상을 입히거나 면역 시스템에 공격을 가하지 않고 여러 달 동안 유지 가능하다”고 설명했다.

연구진은 안전성과 효율성을 판단하기 위해 쥐 모델의 주요 자율신경계를 사용해 CNT 섬유를 테스트했다. 첫 번째 실험에서는 섬유 전극을 쥐의 미주 신경에 삽입했다. 미주 신경은 체내 주요 장기와 연결돼 있으며 면역 반응과 발한 반응 같은 기능을 조절·감시한다. 두 번째 실험에서는 섬유 전극을 설인 신경에 삽입했다. 설인 신경은 경동맥과 혀를 포함한 여러 기관과 연결된 신경이다.

연구팀은 10주 동안 전기 활동을 안정적으로 기록했다. 또한 복부 팽만 같은 생리학적 반응이 있을 때, 쥐 신경활동의 맥박도 관찰할 수 있었다. 즉, 10주 동안 CNT 이식을 통해 각 변화를 쉽게 기록 가능했다.

이번 실험의 목표는 질병 발생 시 신경이 전달하는 전기 신호의 의미 파악이다. 즉, 신경이 전달하는 정보를 사용해 질병 초기 단계에서 전통적인 치료법이나 신경 자극 및 절단 같은 전기적 조작을 통해 치료를 가능하게 하는 것이 근본적인 실험 취지다.

특히 CNT 섬유를 사용해 신장 섬유를 절개하지 않고도 신경 충동을 차단, 치료에 반응하도록 만들 수 있다.

CNT 기술과 인공 기관

또, CNT 섬유는 인공기관 삽입물을 잠재적으로 강화한다. 절단된 팔이나 다리에는 수천 개 신경 세포가 있어 전기 신호에 반응할 수 있다. 따라서 인공기관 사용자의 각 신경에 CNT를 이식해 전기 신호를 기록하고, 인공 기관을 조절하도록 만들 수 있다.

듀란드 박사는 “아직은 초기 단계 연구지만, 이번 연구 결과를 통해 CNT 섬유 기술을 생리적 기능을 장기적으로 관찰하는 데 사용할 수 있다는 것을 증명했다”고 밝혔다.

[메디컬리포트=심현영 기자]

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