Mayo Clinic-KIST

BRAIN Initiative Symposium 개최
파킨슨병의 치료법, 뇌심부자극술의 생리학적 원리 규명 및 치료법 논의

 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 2017년 11월 6일(월)~7일(화) 양일간 KIST 본원에서 뇌심부자극술(Deep Brain Stimulation, DBS)의 선두적인 역할을 하고 있는 메이요 클리닉*(Mayo Clinic, 미국)의 켄달 리(Kendall Lee) 교수를 비롯한 우수 연구원 6명을 초청하여 KIST 연구원, 국내·외 뇌과학연구자 등 100여명이 참석한 가운데 Mayo Clinic-KIST 공동 심포지엄을 개최했다.
*Mayo Clinic, 메이요 클리닉 : 미국 미네소타주 로체스터에 위치한 비영리 의료기관으로 정밀한 검사와 환자 중심의 서비스로 이름이 높다. 2017년 미국의 최고의 병원으로 선정되었으며, 신경학 및 신경수술 분야 및 부인과학, 이비인후과 분야에서 1위로 뽑혔다.

KIST 기능커넥토믹스연구단(KIST-CFC, 단장 김진현)이 주최·후원하는 이번 행사에서는 파킨슨병과 척수손상 치료법의 생리학적 원리를 규명하고 치료법의 개선방안을 논의하는 토론의 장이 펼쳐졌다. 이번 심포지엄은 두 기관의 연구동향 교류를 통해 메이요 클리닉과의 공동 연구 주제를 발굴하고, 향후 한·미 양국의 공동 연구 과제를 탐색하는 발판이 될 것으로 기대된다.

신경계 관련 질환 치료법의 일종인 뇌심부자극술은 전기자극 장치를 뇌 안에 이식하여 이식된 부위에 전기적 자극을 가하는 치료법으로 특히 파킨슨병의 치료를 위하여 사용되는 방법이다. 뇌심부자극술은 약물치료로 증상의 개선을 경험하지 못하는 환자들을 치료하거나 약물의 투여량을 줄임으로서 약물치료의 부작용을 심하게 겪는 파킨슨병 환자들의 증상을 개선하는데 효과적인 치료법이다. 켄달 리 교수는 뇌심부자극술의 선구적인 연구자로 알려져 있다. 특히 전극의 정확한 위치설정을 위해 환자가 바이올린을 연주하는 동안 수술을 집도하여 크게 주목 받은 바 있으며, 서울대학교에 초청되어 50여명의 전문의들에게 뇌심부자극술을 라이브로 선보이기도 했다.
*(관련영상 : http://www.mayo.edu/research/labs/neural-engineering/multimedia)

국내 연구기관 소속 연구자로서는 최초로 美 Brain Initiative 프로그램에 참여하고 있는 브래들리 베이커(Bradley Baker) 박사는 “이번 심포지엄을 통하여 KIST가 보유한 기술을 해외 우수연구기관에 소개하고, 더 나아가 한미 양국 인력교류 및 공동연구 가능성을 높일 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

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제1회 UK-KIST Aging Brain and Dementia Symposium 개최 
영국 석학 초청강연 및 뇌질환 최신 동향 교류를 통한 해결방안 모색

 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 2017년 10월 18일(수) KIST 본원에서 영국 옥스포드, 캠브리지, 브리스톨 대학의 교수 및 우수 연구원 4명을 초청하여 KIST 연구원, 국내·외 뇌과학연구자 등 100여명이 참석한 가운데  ‘UK-KIST Aging Brain and Dementia Symposium’을 개최했다. KIST 뇌과학연구소(KIST-BSI, 소장 오우택)에서 주최하고 후원하는 이번 행사에는 세계적인 관심사로 떠오른 퇴행성 뇌질환을 비롯한 뇌의 노화 현상에 대한 치료 방안 모색과 이를 뒷받침하는 기초 뇌기능 및 뇌질환에 대한 최신 연구동향 교류와 토론의 장이 펼쳐졌다. 특히 이번 행사에는 신경세포 퇴화와 알츠하이머병 전문가인 피터 조지-히슬롭(Peter St. George-Hyslop) 캠브리지대 교수를 비롯하여, 영국의 퇴행성 신경질환 분야의 대표적인 석학들과 국내 뇌질환 분야의 권위 있는 연구자들이 참여하여 최신 연구 성과를 발표했고, 지속적으로 공동연구 방안을 모색할 예정이다. 또한 이번 심포지엄은 연구자들의 세션 발표뿐만 아니라 ‘뇌 노화 연구의 도전: 연구실로부터 임상까지 적용 가능한 새로운 아이디어 도출’ 이라는 주제로 진행된 패널 토의 순서를 통해 발표자와 심포지엄에 참석한 연구자들 간의 활발한 의견교환이 이루어졌으며, 향후 공동연구 결과를 바탕으로 노화 관련 치료제 개발을 위한 개방형 연구체제를 마련할 것으로 기대하고 있다.  KIST 오우택 뇌과학연구소장은 “이번 심포지엄을 통해 KIST가 영국과의 우수한 인재들의 활발한 교류 및 공동연구를 활성화할 수 있는 계기가 되고, 향후 양국의 공동 연구로 개발한 신규 기술이 국제시장 진출에 실질적인 도움이 되는 성과가 나오길 기대한다”고 밝혔다

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KIST, 뇌질환 해결 위해

영국 석학들과 머리를 맞댄다 
제1회 UK-KIST Aging Brain and Dementia Symposium 개최 
영국 석학 초청강연 및 뇌질환 최신 동향 교류를 통한 해결방안 모색

 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 2017년 10월 18일(수) KIST 본원에서 영국 옥스포드, 캠브리지, 브리스톨 대학의 교수 및 우수 연구원 4명을 초청하여 KIST 연구원, 국내·외 뇌과학연구자 등 100여명이 참석한 가운데  ‘UK-KIST Aging Brain and Dementia Symposium’을 개최했다.

KIST 뇌과학연구소(KIST-BSI, 소장 오우택)에서 주최하고 후원하는 이번 행사에는 세계적인 관심사로 떠오른 퇴행성 뇌질환을 비롯한 뇌의 노화 현상에 대한 치료 방안 모색과 이를 뒷받침하는 기초 뇌기능 및 뇌질환에 대한 최신 연구동향 교류와 토론의 장이 펼쳐졌다. 특히 이번 행사에는 신경세포 퇴화와 알츠하이머병 전문가인 피터 조지-히슬롭(Peter St. George-Hyslop) 캠브리지대 교수를 비롯하여, 영국의 퇴행성 신경질환 분야의 대표적인 석학들과 국내 뇌질환 분야의 권위 있는 연구자들이 참여하여 최신 연구 성과를 발표했고, 지속적으로 공동연구 방안을 모색할 예정이다. 또한 이번 심포지엄은 연구자들의 세션 발표뿐만 아니라 ‘뇌 노화 연구의 도전: 연구실로부터 임상까지 적용 가능한 새로운 아이디어 도출’ 이라는 주제로 진행된 패널 토의 순서를 통해 발표자와 심포지엄에 참석한 연구자들 간의 활발한 의견교환이 이루어졌으며, 향후 공동연구 결과를 바탕으로 노화 관련 치료제 개발을 위한 개방형 연구체제를 마련할 것으로 기대하고 있다. KIST 오우택 뇌과학연구소장은 “이번 심포지엄을 통해 KIST가 영국과의 우수한 인재들의 활발한 교류 및 공동연구를 활성화할 수 있는 계기가 되고, 향후 양국의 공동 연구로 개발한 신규 기술이 국제시장 진출에 실질적인 도움이 되는 성과가 나오길 기대한다”고 밝혔다.

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이달의 KIST인상 수상자 발표
박기덕 박사, 게이코 야마모토 박사 총 2팀 ‘이달의 KIST인상’ 수상

 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 9월 26일(화) KIST 서울 본원에서 우수한 연구업적을 달성한 총 2팀의 연구자들이 ‘이달의 KIST인상‘을 수상했다고 밝혔다. 

치매DTC융합연구단 박기덕 박사 기능커넥토믹스연구단 게이코 야마모토 박사

KIST 치매DTC융합연구단 박기덕 박사팀은 기존 치매 치료제와 차별화된 신규 치료기전 기반의 새로운 치매치료 후보약물을 개발하였다. 알츠하이머 치매환자의 뇌에서 과생성되는 가바(GABA)의 양을 줄여줄 수 있는 신규 치매 치료제 후보물질을 개발하여 치매환자의 기억력 저하 및 인지 장애를 획기적으로 개선할 수 있으며, 글로벌 신약으로의 개발을 위해 해당 기술을 ㈜메가바이오숲에 기술이전했다. 기능커넥토믹스연구단 게이코 야마모토 박사는 새로운 광유전학 단백질을 이용하여 신경신호의 효율변화를 유지하는 소뇌의 메커니즘 및 작동 타이밍을 규명하는데 성공했다. 게이코 박사는 장기간 시냅스 억제가 어떻게 유지되는지에 대한 세포내 매커니즘을 규명했으며, 본 연구내용을 국제학술지인 네이처 커뮤니케이션즈 9월호에 게재한 성과를 인정받았다.  이달의 KIST인상은 원의 발전에 가장 창조적, 혁신적으로 기여한 우수 직원을 발굴하여 포상심의위원회 심의를 거쳐 최종 선정되며, 상금은 3백만 원이다.

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KIST, 협력 대학들과 ‘학‧연 융합 컨퍼런스’ 개최
협력 대학들과 4차 산업혁명 대비를 위한 융합연구 기획의 장 마련

 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 융합연구 활성화 및 창의‧융합형 과학기술인재 육성을 위해 9월 21일(목) 서울 본원에서 학연교수제를 공동으로 운영하고 있는 대학들*과 제2회 ‘2017 학‧연 융합 컨퍼런스’를 개최했다.
 * 참여대학 : 고려대, 경희대, 한양대, 국민대, 건국대

이번 컨퍼런스는 한국연구재단 김주선 나노소재분야 단장의 대학과의 융합연구 협력방안 등에 대한 기조강연과 KIST의 미세먼지사업단(단장 배귀남), 치매DTC융합연구단(단장 배애님), 실감교류인체감응솔루션사업단(단장 유범재) 등 대형 사업단 소개, 3개 융합연구분야(BT-IT, NT-IT, ET-IT융합)별 발표 세션으로 구성되어, 총 18명의 학연교수 강연과 55여 편의 학생 포스터 발표가 진행되었다. 컨퍼런스를 주관한 KIST 대외협력본부 임혜원 본부장은 “KIST는 2012년 고려대를 시작으로 5개 대학과 학연교수제를 공동 운영함으로써 사회문제 해결형 융복합 연구의 성공적 수행과 현장형 이공계 인재 육성을 위해 노력해왔다. 이번 컨퍼런스를 통해 4차 산업혁명을 대비한 실질적인 융합연구 활성화와 이를 통한 창의‧융합형 미래인재 육성을 강화하는 계기를 마련했다”고 밝혔다. 학연교수제란 ‘산업교육진흥 및 산학연협력촉진에 관한 법률’에 따라 국책연구소와 대학 간 인력의 공동 활용으로 공동연구 및 교육을 활성화하기 위한 제도로, 학연교수로 선발되는 우수 교원 및 연구원은 양 기관에 동시에 소속되어 전임급으로 근무하면서 융복합연구와 인력양성을 공동으로 추진하게 된다.

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박기덕 박사 '치매환자 기억력·인지 장애 개선' 후보 약물 개발

"리스크 높은 약물개발...출연연 중심주도 '사회문제 해결'해야"



최근 기억부터 서서히 사라져 언어능력, 인지기능 등이 악화되어 나를 잃어가는 병 치매.


환자 본인뿐 아니라 보호자들도 고통스러워 치매 질환의 심각성이 사회적 문제로 커지고 있다. 치매환자 보호자는 다른 환자의 보호자들에 비해 화병, 우울증, 면역저하 등 정신질환을 겪는 경우가 많다고 보고되고 있다.


건강보험심사평가원에 따르면 한국에서 치매로 병원을 찾는 환자의 연평균 증가율은 17%에 달한다. 2030년께 가족을 포함한 치매고통인구는 500만명에 이를 것으로 예측된다. 국회예산정책처는 치매로 인한 경제사회적 비용을 2015년 12조원에서 2030년 39조로 예상했다.


발병률은 매년 늘고 있지만 치료는 거의 이뤄지지 않고 있다. 전문가들은 '원인이 명확하게 규명되어있지 않기 때문'이라고 설명한다.


치매 중에서도 퇴행성 뇌질환인 알츠하이머병은 가장 발병률이 높다.  뇌 안의 베타아밀로이드 단백질이 많이 생성되면서 뭉치게 되고, 그로 인해 신경세포가 죽게 돼 인지기능과 공간기억력이 나빠진다고 알려져 있다. 그러나 왜 단백질이 뭉치는지 그 원인이 제대로 밝혀지지 않아 치료제를 찾기 어려운 실정이다.


알츠하이머 치매의 다양한 원인이 제시되는 가운데, 새로운 방법으로 우수한 치매치료제 후보물질을 개발한 연구자가 있다. 박기덕 KIST 치매DTC융합연구단 책임연구원이다. 박 박사팀은 알츠하이머 치매 환자의 뇌에서 발견되는 이상현상을 바로 잡아주는 약물 개발로 치매 치료제에 도전장을 내밀었다.


공동연구팀인 이창준 박사팀은 알츠하이머 치매 환자의 뇌는 억제성 신경전달물질인 가바(GABA)를 과생성·분비함으로써 기억력 및 인지장애를 발생시킨다는 연구결과를 Nature Medicine에 보고했다. 가바(GABA)의 과생성을 억제해 치매를 치료할 수 있다고 해석된다.


최근 박 박사팀은 이 기전을 기반으로 가바 과생성 억제 화합물을 개발, 치매치료제 후보물질로 상용화를 위한 기술이전을 완료했다. 이 화합물은 우리 몸의 아미노산 구조를 기반으로 만들어졌다. 때문에 인체에도 안전할 것으로 기대된다.


박 박사는 "뇌질환 치료제는 환자가 오랫동안 복용해야하기 때문에 안전성이 중요하다"며 "이 화합물은 아미노산에 기능기를 붙인 아미노산 기반 화합물로 안전성을 갖는다"고 말했다.


이어 그는 "현재 환자들이 복용 중인 약들은 치매 원인에 근거하기보다 떨어지는 인지기능을 막기 위한 인지증강제로 지속적인 치료 효과를 보기 어렵다"며 "치매환자의 인지기능 저하 이유 중 하나인 가바의 양을 줄여주는 신약물질 개발은 치매환자의 기억력과 인지장애를 획기적으로 개선해줄 것으로 기대된다"고 말했다.

기존 대조약물 대비 후보약물의 월등한 신경세포 발화 능력 회복 효능


개발된 물질의 화학골격 (아미노산 기반 유도체(Functionalized Amino Acids))



아미노산 라이브러리 구축 '난치성 뇌질환' 치료 비밀 푼다



"아미노산에 주목한 이유요? 치료제 후보물질들이 실패하는 이유 중 하나가 안전성이 떨어지기 때문이더라고요. 효능이 다소 떨어지더라도 우리가 복용해야하는 약이니 일단 안전성을 통과하는 후보물질들을 모아 라이브러리를 구축했습니다. 그 중에서 치매 치료 가능성을 보았습니다."


10여 년 전, 해외에서 연구원으로 일하던 그는 많은 치료제 후보물질이 안전성에 적합하지 않아 신약개발에서 탈락되는 것을 보았다. 그러다 미국의 연구실에서 아미노산 유도체(세린의 화학구조 일부를 변형한 화합물)를 이용한 신약개발에 참여하였고, 우리 몸에 있는 아미노산을 기반으로 한다면 안전성 문제는 해결될 것이라 생각했다. 


박 박사는 한국으로 돌아와 효능이 다소 떨어지더라도 안전성을 통과하는 물질들을 합성해 아미노산 기반 라이브러리를 구축하기 시작했다. 이를 베이스로 약물을 만들기 시작했고, 그 속에서 최근 기술이전한 치매치료제가 만들어졌다.


이 외에 진균성뇌수막염 치료제 후보물질도 발견해 기술이전했다. 박 박사는 "앞으로 다양한 약물들을 이 라이브러리를 통해 연구 개발할 계획"이라고 말했다.




"인지기능 실험 '스트레스 독'…실험용 마우스와 동고동락하라"



"실험할 마우스를 직접 키우는 것도 연구의 일부입니다. 스트레스를 받지 않도록 실험 전부터 꼼꼼하게 관리해주고 있습니다."


우리가 쓰고 먹고 바르는 많은 의약품은 동물실험을 기반으로 진행되는 것이 많다. 특히 실험용 마우스는 일반 마우스와는 달라서 키우고 관리하는 것이 쉽지 않은데, 그 중에서도 알츠하이머 치매와 같이 인지기능 실험에서 마우스는 더욱 특별한 관리가 필요하다.


박 박사팀은 실제로 12주가 된 마우스를 실험실에 데려와 약 10개월 동안 키웠다. 사육시설에서 실험시설로 옮겨 실험을 강행하면 스트레스를 받을 수 있기 때문에 실험하기 2개월 전 부터 실험 담당 연구자가 직접 먹이를 주거나 놀아주면서 연구자와 공간에 익숙해지도록 했다.


박 박사는 "쥐가 스스로 공간과 사람에 대한 불안감이 쌓이면 이상한 반응을 보일 수 있기 때문에 실험 전부터 꼼꼼하게 관리하고 키워줘야한다"고 설명했다. 전문적인 마우스 실험은 KIST뇌과학연구소의 이창준 박사팀과 조제원 박사팀이 큰 도움이 됐다.


이 박사는 국내 신경과학분야 대표연구자로서 비신경세포 분야의 최고 전문가로 손꼽힌다. 조 박사는 심리학 전공자로 미국에서 행동실험을 정통으로 배운 과학자다. 조 박사 외에도 학위심사와 실험이 겹쳐, 마우스를 직접 키우며 실험과 논문 준비를 병행한 학생까지 많은 사람들이 실험을 함께했다.


이런 과정을 거쳐 박 박사팀은 후보약물을 알츠하이머병에 걸린 유전자 변이 실험용 쥐에 투여해 다양한 행동실험을 진행했다. 그 결과 인지기능이 회복된 것을 확인했을 뿐 아니라, 적은 용량으로 장기간 투여한 시험에서도 월등한 인지기능 개선 효능을 확인했다.


치매DTC융합연구단 연구실 모습. 연구단은 우리 몸에 있는 아미노산 구조를 기반으로 다양한 치료제를 개발하고 있다.



“치매, 걱정 없는 질병으로 만들고 싶어”



"과거 에이즈는 고칠 수 없는 병이었지만 지금은 그렇지 않습니다. 치매치료제도 그런 미래가 올 것이라고 믿습니다. 많은 사람들이 걱정하지 않는 병이 되도록 열심히 연구할 계획입니다."


박기덕 박사팀의 연구성과는 ㈜케미메디(대표이사 최건섭)의 자회사인 ㈜메가바이오숲(대표이사 박상민)에 기술이전됐다. KIST는 지난 5월 31일 본원에서 '알츠하이머성 치매 치료 후보약물'에 대한 기술이전 조인식을 가졌다.


연구개발에서 기술이전까지 일사천리로 진행된 것 같지만 기술이전을 하기까지 연구진의 노력이 있었다. 2015년부터 기업들에 기술을 공개하는 일에 박 박사팀이 직접 발 벗고 뛰었고, 원천기술 개발을 넘어 장기효능 및 독성 검증연구 등 비임상을 준비하기 위한 각종 일들을 도맡아 준비했다.


그러나 치료제 개발에 많은 인력과 연구비가 필요하다보니 선뜻 비임상을 하겠다고 나서는 기업을 찾기란 쉽지 않았다. 그러던 도중 국가과학기술연구회의 융합연구단 사업으로 치매DTC융합연구사업(단장 배애님박사)의 지원을 받아 신약개발 연구에 한 발 나아갈 수 있었다. 또 비임상 시험 진입과 함께 뇌질환과 난치성 질환에 관심이 있는 ㈜메가바이오숲과 공동으로 개발 하는 것에 뜻을 함께했다.


박 박사팀과 메가바이오숲은 현재 임상시험 진입을 위한 비임상 시험을 진행하고 있다. 신약개발이 쉽지는 않지만 그는 알츠하이머 치매를 개선할 수 있는 치료제 개발에 박차를 가할 계획이다. 또 그가 속한 치매DTC융합연구단에서는 알츠하이머 치매가 심하게 발병하기 전, 진단하고 치료, 케어를 할 수 있는 연구에 매진할 계획이다.


는 "치료제개발은 비임상 시험 이후에도 임상 시험을 넘어야 최종 성공할 수 있는 힘든 여정"이라면서도 "그러나 몇백 개 중 한두 개만 성공한다면, 현대인들이 에이즈로 죽음을 고민하지 않는 것처럼 치매도 환자들이 걱정하지 않는 병이 될 수도 있다. 리스크가 높고 고비용의 연구지만 치매가 사회적 문제로 대두되는 만큼 출연연이 중심이 되어 해결해야 하는 질병이다. 이 연구가 잘 마무리될 수 있도록 최선을 다해 연구하겠다"고 말했다.





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[사이언스포럼]뇌 관련 학과가 없는 한국의 대학

 

의학의 발달로 사람의 수명은 급격히 늘어나고 있지만 모두가 건강하게 오래 사는 것은 아니다. 주변을 살펴보면 나이가 많이 들수록 한두 가지의 만성질환을 앓지 않는 사람이 없다. 특히, 퇴행성 뇌질환은 노인들의 대표적 질병이지만, 이를 완치하는 치료제나 방법이 없다는 점에서 그 심각성은 다른 질병과 비교할 때 비교할 수 없을 정도로 크다. 이로 인해 이들의 복지를 담당하는 국가나 사회의 부담도 크게 증가하고 있어 오늘날 중요한 사회문제로 부각되고 있다.[...]

 

[아시아경제 전문 보기]

 

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비정상적으로 증가된 단백질 당화와 학습능력 저하의 상관관계 규명
노화에 따른 당화 증가와 인지기능 저하 사이의 새로운 연결고리 제시

 

단백질에 일어나는 당화(오글루넥 糖化, O-GlcNAc glycosylation)*는 단백질의 기능을 조절하여 세포의 영양상태를 반영하는 신호전달체계로써, 세포의 영양상태 불균형에 따른 부적절한 당화는 현대인의 만성질환을 유발하는 원인으로 알려져 있다. 최근 국내 연구진이 단백질에 일어나는 오글루넥 당화가 비정상적으로 증가될 때, 신경 세포간의 결합세기의 유동성이 떨어지고 인지기능이 저하되는 것을 밝혔다.
*오글루넥 당화(O-GlcNAc glycosylation): 단백질에 포도당 유도체인 ‘아세틸글루코사민’이 결합하는 것

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 뇌과학연구소 임혜원 박사는 울산과학기술원(UNIST, 총장 정무영) 서판길 교수와의 공동연구를 통해 유전자 변형을 통해 오글루넥 당화를 인위적으로 증가시킨 실험 쥐의 경우 새로운 정보를 학습하는데 더 오랜 시간이 소요되며, 학습한 정보의 정확성도 떨어진다는 사실을 규명했다.

<그림 1> 뇌단백질의 오글루넥 당화가 비정상적으로 증가된 유전자변형 쥐 모델에서 인지기능이 저하됨을 확인

 

본 공동 연구진은 실험을 통해 일반적으로 새로운 정보를 습득할 시에 두뇌의 해마 부위에 위치한 신경세포간의 연결세기가 변화하는 과정이 필수로 일어나야 하지만, 당화가 증가된 유전자 변형 쥐에서는 외부에서 학습을 유발하는 자극이 주어졌을 때도 신경세포 간 연결의 세기가 유동적으로 변하지 않음을 증명했다.

<그림 2> 본 연구에서 사용된 다양한 행동실험에서 정상쥐 대비 Oga+/-쥐의 인지기능이 현저히 저하됨

오글루넥 당화는 포도당의 유도체가 단백질에 결합하여 일어나는 변화로써, 체내의 포도당 농도에 따라 민감하게 반응한다는 사실이 알려져 있으며 유전자의 발현이나 세포가 성장하여 분열하고 다시 성장하여 증식하는 세포주기 조절에 중요한 역할을 하는 것으로 학계에 보고된 바 있다. 본 연구는 오글루넥 당화와 학습능력 사이의 상관관계를 관찰하여 세포의 영양상태가 뇌 인지기능에도 영향을 줄 수 있음을 밝혔다는 점에서 큰 의미가 있다. 

이번 연구 결과를 통해 KIST 임혜원 박사는 “치매와 같은 퇴행성 뇌질환뿐만 아니라, 노화 및 당뇨에서 흔히 발생하는 비정상적인 단백질 당화와 인지기능 저하 사이의 상관관계에 대해 추가 연구를 통해 더욱 면밀히 관찰할 필요가 있다” 고 말했다.

 

이번 연구는 미래창조과학부(장관 최양희) 바이오의료기술, 뇌과학원천기술개발사업 및 KIST 기관고유사업 지원으로 수행되었으며, 연구 결과는 ‘Scientific Reports’ 에 4월 3일(월)자 온라인 판에 게재되었다.

 

* (논문명) Memory and synaptic plasticity are impaired by dysregulated hippocampal O-GlcNAcylation
        - (공동 1저자) 양용렬(UNIST), 송승주(KIST)
        - (공동 교신 저자) 임혜원(KIST), 서판길(UNIST)

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최지현 치매 DTC 융합연구단 박사, 저비용 웨어러블 디바이스로 치매 검출연구

"매우 극적인 치매···원인 밝혀 치료법 발굴할 것"


"값싼 웨어러블 디바이스로 치매진단이 가능하다면 그건 사회적으로 임팩트 있는 일이라고 생각합니다. 본인도 자각을 못하는 뇌신경회로의 이상을 웨어러블 디바이스로 검출해 내 치매를 조기 진단하는 것. 그것이 우리의 연구 목표입니다."

 

고령화 사회가 빠르게 진행되면서 치매환자도 계속 늘고 있다. 보건복지부에 따르면 지난해 치매환자는 68만 명으로 2024년에는 100만 명, 2050년에는 200만 명을 넘어설 것으로 예측되고 있다. 치매환자는 환자 본인뿐 아니라 주변 가족들의 심리적 고통과 치료비 부담 등 한 가정을 무너뜨릴 수 있는 사회적 질환이다. 개인과 국가적인 관리가 필요하다.

 

과학기술계도 치매와의 전쟁을 선포하고 다양한 연구를 진행 중인 가운데, 그 중 독특한 방식으로 주목받는 연구단이 있다. 치매 DTC 융합연구단이다. 이 연구단은 KIST(한국과학기술연구원·원장 이병권)를 주축으로 한국과학기술정보연구원, 한국한의학연구원, 한국생명공학연구원 등 총 4개 정부출연연구기관과 삼성의료원, 서울대병원, 분당서울대병원과 연계하는 전문 인프라를 구축하고 있다. 치매를 치료하기 위해 각 분야 어벤저스가 모인 것이다.

 

치매 DTC 융합연구단에 가보니 KIST에 마련된 연구실에서 초파리와 마우스, 제브라피시 등을 통해 치매의 원인과 치료법을 연구 중이었다. 치매 치료에서 조기진단이 중요한 만큼 저렴한 진료비로 치매 진단이 가능한 웨어러블 디바이스 기반으로 치매 진단시스템을 개발하고 있다.

 

연구단의 최지현 박사는 "치매는 뇌과학적으로 봤을 때 백화점 같은 질환으로 조기진단이 중요하지만, 우리나라 노인 빈곤율은 매우 높은 편이다. 많은 환자가 저렴하게 치매를 조기 진단할 수 있도록 연구 중"이라며 "우리는 기존 신경심리검사와 본인이 자각하기 어려운 뇌신경회로의 이상을 웨어러블 디바이스 검출하는 연구를 하고 있다. 치매 조기 진단은 환자 본인에게도, 사회적으로도 꼭 필요한 일"이라고 설명했다.


느린 주파수와 빠른 주파수의 진폭변화를 그린 뇌파 맵

어레이 전극으로 측정한 실험용 쥐의 뇌 영역


렘수면 비밀 최초로 밝히다···치매 치료 실마리

 

최지현 박사는 뇌파연구를 통해 뇌의 비밀을 밝히고 치매의 원인과 치료법을 연구 중이다. 그는 의식에서 무의식으로 전환될 때 일어나는 임계전이현상을 규명하고, 인간과 같은 수준으로 마우스 뇌파를 측정하는 기술을 개발한 바 있다. 최근에는 렘수면 동안 벌어지는 뇌파를 분석해 향후 치매를 비롯한 특정 질병과 수면질환간 연관성을 연구하는 실마리를 찾았다.

 

렘수면은 수면단계의 일종으로 총 수면시간 중 상대적으로 적은 비중을 차지하지만 깨어있을 때와 비슷한 패턴의 뇌파가 관찰된다. 그러나 범위하게 벌어지는 뇌 활동을 동시에 측정하는 것이 어려워 렘수면의 기능이 무엇인지는 잘 알려지지 않았다.

 

수면시간동안 아주 잠시 나타나는 렘수면이지만 최지현 박사팀은 수면결핍과 렘수면의 영향에 주목하고 마우스 실험에 자체 제작한 뇌파맵 고해상도 측정기술을 도입했다. 이를 통해 렘수면 여러 뇌파를 동시에 감지하는 데 성공, 세계 최초로 렘수면의 숨겨진 구조를 규명했다.

 

실험 과정은 다음과 같다.

마우스 뇌 자체에 뇌파맵 고해상도 측정기를 설치 → 쳇바퀴를 활용해 마우스 수면부족 유도 → 하루 중 특정 시간 동안만 휴식 케이지로 옮겨 마우스가 잠이 들면 뇌파를 측정 → 5일 동안 반복.


어레이형 전극을 삽입한 실험 쥐



 

여기서 연구진은 렘수면이 신경세포의 회복과 기억 형성에 동시에 기여함과, 수면 중 비정상적으로 증대된 신경활동이 다음 날 기억 형성과정에 혼선을 줄 수 있음을 발견했다. 이는 만성 수면 결핍의 폐해를 예측하는 것으로 이해할 수 있다.

 

최 박사는 "렘수면의 비밀이 치매와 연관성이 있을 것"이라고 예상했다. 그는 "이번 연구에서 주되게 보고 있는 것이 렘수면 중 나타난 서파다. 이 서파는 비렘수면 서파와 나타나는 시점 및 특성이 매우 다르고 대표 뇌파인 쎄터파와 배타적으로 나타난다"며 "이 렘수면 서파가 발생하는데 ▲전전두엽과 해마를 연결하는 특정 뇌영역이 관여한다는 가설 ▲이 영역이 해마에서의 정보를 전전두엽으로 저장시키는 데 있어서 주요 역할을 한다는 가설을 가지고 있다. 이 부분은 너무나 작아서 뇌영상으로는 안 보였을 것이다. 이 영역의 신경수축과 치매환자의 증상과 관련성을 밝힌다면 새로운 관점에서 문제접근이 가능할 것"이라고 말했다.

 

불안했던 뇌파전극 실험, 10% 성공에서 90%까지

 

"개발한 뇌파전극이 불안해 마우스를 수술하기가 쉽지 않았습니다. 그런데 함께 연구했던 학생들이 수술 확률을 획기적으로 늘려 가장 긴 실험을 할 수 있었어요. 졸업 전 또 한 번 큰일을 할 것 같은 친구들이에요.(웃음)"

 

탐침은 뇌의 신경회로 활동을 측정하기 위해 중요한 역할을 하는 기술이다. 관찰하고자 하는 신경회로에 침을 꽂는 형식으로, 뇌를 연구하는 많은 연구진은 다양한 탐침개발을 활용해 뇌의 신비를 밝히고 있다.

최 박사팀도 탐침기술을 활용하지만 이번 연구에서는 자체 개발한 필름 타입의 전극으로 뇌파맵을 분석했다. 두개골 위에 씌어 분석하는 방법이다.

 

그에 따르면 필름타입은 사람의 뇌파와 같은 수준의 뇌파를 마우스 뇌에서 획득해서 종간 비교 분석이 가능하다는 장점이 있다. 특히 자유롭게 활동하는 뇌로부터 특정 활동을 했을 때의 뇌파를 측정할 수 있다. 특정행동과 뇌파간의 상관관계를 직접 밝힐 수 있다.

 

또 사람에게 적용하는 신경심리 임상평가를 마우스에도 적용해 뇌영상을 획득함으로써 환자와 질병마우스 간 일대일 비교를 통해 질병의 원인을 신경회로적 차원에서 밝힐 수 있다.


렘수면 비밀을 세계 처음으로 밝힌 최지현 박사팀


렘수면 비밀 논문 주저자인 김보원 학생과 최지현 박사가 마우스 뇌 촬영 영상을 보며 토론하고 있다.


그는 "가령 진앙지를 찾기 위해 여러 도시에 지진센서를 달아서 관찰하는 것이 뇌파맵이라고 한다면 특정 영역에 센서를 박아서 지질활동을 관찰하는 것이 탐침"이라며 "탐침이 국소적 영역을 보는 도구라면 필름타입은 탐침 대비 넓은 영역을 볼 수 있는 장점이 있다"고 설명했다.

그는 이어 "뇌는 다른 회로들이 유기적으로 협업해서 인지와 행동이라는 결과를 만들어내는 것이므로 어느 측정방식이 더 중요하다고 생각하지는 않다"라면서도 "그러나 뇌가 복잡한 만큼 멀티스케일로 측정하기 위한 방법은 중요한 연구 중 하나"라고 강조했다.


이 같은 장점에도 해결해야 할 문제가 있다. 자체 개발한 필름 타입의 전극 기술이 불안정해 수술 중 마우스들이 죽거나 오랜 기간 실험을 지속할 수 없었던 것. 그러나 이번 연구의 주저자인 김보원 학생이 제대로 실력을 발휘했다. 10%밖에 안됐던 수술성공률을 90%까지 끌어올리고, 10일 가까운 실험에도 성공했다.


그는 "몇 시간 실험하고 기록 하는 것이 아닌 무려 열흘 가까운 기간 동안 연구내용을 기록하는 유례없는 일이었다"며 "보원 학생과 김동욱 학생, 하버드의대에서 파견 나오신 김영수 박사님 등 많은 연구자들이 함께 노력해 가능했던 일이다. 보원 학생은 현재 박사 2년차로 우리 연구실에서 핵심멤버로 있다. 앞으로 정말 기대되는 친구"라고 감사함을 전했다.


실험실 모습



 "뇌파가 뭐죠?" 미숙했던 첫 연구, 그리고 사비로 구입한 램프

 

KIST에서 오랜 시간 뇌의 신비를 밝히는 연구를 활발하게 하고 있는 최 박사지만 그에게도 뇌파가 뭔지 노이즈가 뭔지 구분이 어려웠던 시절이 있었다.

 

이론물리를 하다 1999년부터 근적외선을 사람의 뇌신호를 측정하는 연구를 처음 하던 그는 뇌를 밖에서 보는 것에 한계를 느끼고 사비를 털어 앰프를 구입해 뇌파를 측정하기 시작했다. 인터넷에서 구입한 앰프는 최 박사가 태어난 제작년도가 새겨진 것이었다.

 

호기롭게 램프를 구입한 것은 좋았으나 마우스 실험이 처음이었던 그는 뇌파가 무엇이고 노이즈가 무엇인지 구분이 되지 않았다. 궁여지책으로 내놓은 방법이 마우스에 마취약을 점진적으로 넣어 궁극으로는 치사량까지 주입하며 뇌파를 관찰하는 방법이었다.

 

"죽음에 가까이 간 마우스의 뇌파는 전혀 다른 모습이었다. 코마의 뇌파가 발생하지만 이 뇌파는 금방 사라지지 않았다. 바이털 사인이 사라지듯 없어지려다 가도 어느 순간 발화하는 신호가 나왔다. 이것을 보며 '삶과 죽음의 경계가 있는 것인가'라는 생각이 들었다. 누워있는 마우스에게 고마움과 미안함과 심지어 경건함까지 느꼈다."


연구단은 마우스 외에도 치매의 원인과 치료법을 연구개발하기 위해 제브라피쉬, 초파리 등에게 도움을 받고 있다.

 

창문도 없는 밀폐된 공간에서 뇌파가 완전히 사라진 모습을 본 그는 실험이 끝나고 집으로 돌아가는 새벽길 정말 많은 생각이 들었다. 생명의 존귀함에 크고작음은 없기에 실험동물들에 고마움과 감사함은 연구생활 십여년이 흐른 지금도 잊지않고 있다.

 

앞으로 그는 "보편적 진리를 찾기 위한 연구를 계속하겠다"고 밝혔다. 물 분자를 이해하기위해 물 상태에서 수증기 상태로 상태전이시키는 것처럼, 현상임계전이 현상을 규명한 것도, 렘수면의 비밀을 박힌 것도 모두 뇌를 이해하기 위한, 뇌의 보편적 진리를 위한 방법 중 하나라는 것.

 

그는 "모든 자연스러운 뇌는 인위적으로 조작하지 않더라도 동적인 특성이 있다. 그러나 치매는 매우 극적이다"라며 "왜 그런지를 연구할 것이다. 이를 위해 전뇌기저엽이라는 영역을 보고 있는데 이 영역이 가지는 각성과 비각성을 스위치하는 그 야누스적인 특성이 실마리라고 생각한다. 원인이 밝혀지면 치매 치료법도 발굴할 수 있다고 생각한다"고 말했다.


"값싼 웨어러블 디바이스로 치매진단이 가능하다면 그건 사회적으로 임팩트 있는 일이라고 생각합니다. 본인도 자각을 못하는 뇌신경회로의 이상을 웨어러블 디바이스로 검출해 내 치매를 조기 진단하는 것. 그것이 우리의 연구 목표입니다."








Posted by KIST PR

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