빛을 소재로 한 실험적 시스템과 잠재적 치료법인 광유전학이 최근 새로운 하드웨어의 개발을 통해 관심을 받고 있다. 그리고 이 광유전학으로 청각 장애가 있는 게르빌루스쥐의 청각을 회복하는 실험을 진행 중이다.
광유전학, 살아있는 세포를 조절 위해 빛 사용
광유전학은 살아있는 세포를 조절하기 위해 빛을 사용하는 기법이다. 광유전학을 가장 많이 사용하는 분야는 신경과학 분야다. 광전자공학과 유전학을 결합해 사람의 세포나 뉴런, 단백질을 자유자재로 조절하는 것이다.
광민감성 단백질을 표적 세포로 유인해 유전자 요법에 사용하는 것이다. 따라서 두뇌 같은 장기 내 세포에서 이 광민감성 단백질을 활성화할 수 있는 하드웨어가 필요하다.
이중 색상 광유전학 하드웨어
미 미시간대학 연구팀이 이 이중 색상 광유전학 시스템을 개발했다.
두뇌에 사용되는 실리콘 소재 임플란트(하드웨어)는 두 가지 뉴런을 조절하고 빛에 반응할 수 있도록 개발됐다.
초기 버전의 광유전학 시스템은 빛을 회부에서 두뇌로 전달하기 위해 광섬유를 사용했다. 이는 두뇌 속으로 광섬유를 삽입하는 것이 필요했다. 하지만 새로 개발된 이중 색상 시스템은 섬유가 필요 없이 광원만 있으면 된다. 즉, 임플란트 위치에 405 및 635nm 레이저 다이오드를 주사하는 것이다.
새로운 시스템의 장점은 이중 광원이다. 올해 개발된 또 다른 광유전학 하드웨어 솔루션에는 두뇌 외부에서 적외 레이저를 활성화시킬 수 있는 나노입자 업컨버전 기기가 포함되어 있다. 예를 들어, 나노입자는 파란색, 노란색, 빨간색 등 서로 다른 색상의 빛을 방출해서 최소 세 가지 다른 세포 유형을 자극할 수 있다.
두 번째 장점은 세포를 자극하는 빛을 통해 고품질 저소음 전기적 데이터를 기록할 수 있다는 것이다.
광유전학, 일상적인 움직임 학습의 신경학적 근간
의자에 앉는다거나 물을 쏟지 않고 마시는 등 완벽한 일상적 동작을 학습하고 실행하기 위해 필요한 신경학적 근간에 광유전학을 적용할 수 있다.
막스플랑크플로리다신경과학협회 제이슨 크리스티 박사가 이끄는 연구팀은 소뇌에서 운동 학습이 지속적으로 발생하고 이는 분자층 중간 뉴런이라고 알려진 억제세포에 의해 강화된다는 사실을 밝혀냈다.
소뇌는 두뇌의 10%만을 차지하지만 두뇌 세포의 절반인 500억 개 뉴런으로 구성돼 있다. 그리고 각기 다른 정보를 가진 여러 개의 신호를 통합할 뿐만 아니라 푸르키니에 세포로 알려진 특수 뉴런을 통해서만 신호를 전달할 수 있다.
가소성 또는 소뇌 뉴런 사이 연결 강도 변화가 행동 변화 및 학습의 핵심이다. 이 과정에서 자극 입력은 이미 상당히 알려져 있지만, 억제 입력의 기능은 아직까지 알려진 내용이 많지 않다.
연구팀은 광유전학을 사용해 억제 뉴런의 역할을 조사했다. 먼저, 학습 도중 활동적인 흥분성 뉴런을 자극했다. 그 후, 광유전학 시스템을 사용해 빛으로 억제 중간 뉴런을 활성화시켰다.
억제 중간 뉴런이 활성화되면서 가소성을 반전시켰다. 즉, 지나치게 공격적인 뉴런의 재형성 과정에 제동을 걸어 걷는 과정에서 발을 헛디딜 수 있는 자동 반사 반응을 방지하는 것이다.
광유전학으로 청각 장애 게르빌루스쥐 청각 회복
광유전학을 동물 모델에 적용해 청각 장애 동물의 청각을 부분적으로 회복시켰다. 소위 말하는 인공귀, 즉 달팽이관 이식은 내이의 나선신경절에 직접적인 전기 자극을 가해 청각을 부분적으로 회복시키는 것이다.
독일 괴팅겐대학 메디컬센터의 토비아스 모세 박사는 최근 성체 게르빌루스쥐의 달팽이관에 있는 표적 특정 세포에 광유전학을 적용하는 연구를 했다.
연구팀은 광유전학을 사용해 가까운 미래에 달팽이관 이식을 개발할 수 있을 것이라는 가설을 세웠다. 연구팀은 실험쥐보다는 사람의 귀와 보다 비슷한 게르빌루스쥐를 선택했다. 그리고 게르빌루스쥐가 매우 큰 소리에 반응하면서 장벽을 뛰어넘을 수 있도록 훈련시켰다. 하지만 계속된 연습에 쥐는 청각을 잃게 됐다.
하지만 아데노 연관 바이러스(AAV 매개체)를 사용한 유전자 요법으로 게르빌루스쥐의 내이 세포에 광민감성 칼슘 채널을 적용했다. 그 후, 귀에 레이저를 적용해 세포를 다시 활성화시킬 수 있었다.
레이저 활성화 이틀 후, 게르빌루스쥐는 다시 커다린 소리에 반응할 수 있게 됐고 신호에 따라 장벽을 뛰어넘을 수 있게 됐다. 몇 주 간의 후속 연구 끝에 게르빌루스쥐의 청각 반응은 거의 정상으로 돌아올 수 있게 됐다.
연구진은 2년 내에 임상시험을 준비할 수 있도록 연구 기술을 개발할 수 있는 목표를 세웠다. 록히드 마틴 아큐라이트는 광유전학 자극을 사용한 적외선 레이저 기반 달팽이관 이식 연구를 진행 중에 있다.
[메디컬리포트=김건우 기자]