신경세포를 선택적으로 자극하는 ‘마이크로니들’
우리는 외부의 자극에 대해 끊임없이 반응하며 살아갑니다. 예를 들어 공이 날아오는 것을 보고 손으로 잡거나, 뜨거운 물건에 손이 닿으면 즉각적으로 손을 떼어내려고 하죠. 이처럼 동물은 몸의 곳곳으로 빠르게 신호를 전달해야 하는데요. 이러한 생명현상은 신경세포, 즉 뉴런에 의해 나타나게 됩니다.
신경계는 어떻게 외부의 다양한 자극에 빠르게 대처하며, 자극에 대해 어떤 과정으로 몸의 이곳저곳에서 반응이 나타나게 될까요? 매우 복잡하게 얽혀있는 신경계 덕분에 우리 몸은 자극에 대해 적절히 반응하며 살아가게 되는데요. 오늘은 이러한 자극에 대한 반응을 담당하는 기관계인 신경계에 대해 알아보겠습니다. 나아가, 복잡하게 얽힌 신경계의 구성 요소 중 하나를 선택적으로 반응시키는 방법에 관한 새로운 연구가 나왔다고 하는데요. 이 흥미로운 연구 결과도 함께 간단히 소개해드리겠습니다!
먼저 신경계에 대해서 간단하게 알아볼까요? 신경계는 크게 중추신경계와 말초신경계로 나눌 수 있습니다. 중추신경계는 영어로 Central Nervous System, CNS라고 하며, 말초신경계는 영어로 Peripheral Nervous System, PNS라고 부릅니다. 중추신경계는 뇌와 척수로 구성되어 있고, 나머지는 모두 말초신경계에 속하죠.
신경계를 이루고 있는 신경세포를 ‘뉴런’이라고 하는데요. 뉴런은 보통 길쭉한 모양입니다. 이 뉴런은 감각기관으로부터 중추신경계로 신호를 전달하는 감각뉴런과, 중추신경계로부터 운동기관으로 신호를 전달하는 운동뉴런으로 나눌 수 있습니다. 뉴런들은 서로 이어져 있어 신호가 감각기관부터 뇌 등의 중추신경계를 거쳐, 근육으로 전달되어 반응을 할 수 있게 되는데요. 뉴런과 뉴런이 이어지는 부분을 시냅스라고 하며, 신경 전달 물질을 통해 한 신경세포에서 다른 신경세포로 신호가 전달되게 됩니다.
신경계에서 자극은 ‘전기신호’의 형태로 전달됩니다. 평소에는 세포의 내부가 상대적으로 (-)극을 띄고, 세포막 바깥이 상대적으로 (+)를 띠고 있죠. 하지만 전기신호가 도달하면, 즉 활동전위가 생기면 세포 내부가 (+)로 바뀌게 됩니다. 이렇게 전기적인 신호는 전도라는 과정을 통해 세포막을 따라 이동하고, 세포의 끝에서는 신경 전달 물질을 통해 전달되어 신호 전달이 이루어집니다.
그렇다면, 신경세포를 하나하나 조절할 수 있는 방법은 없을까요? 그 방법으로 제안된 것들 중 하나가 바로 ‘마이크로니들’을 이용하는 것입니다. 원래 마이크로니들은 의료 분야에서, 피부 각질층을 통과해 체내의 세포로 약물 등을 주입하기 위한 미세바늘로 주로 사용됩니다. 체내에서 신경세포들은 여러 깊이에 존재하는데요. 이러한 다양한 깊이에 있는 세포들을 자극하기 위한 대안으로 이 마이크로니들이 제시되고 있는 것입니다.
다양한 위치의 세포를 자극하는 마이크로니들 ⓒKIST
한국과학기술연구원의 임매순, 이병철 박사 연구팀은 길이가 다양한 미세한 전극들이 촘촘하게 배열되어 있는 마이크로니들을 생산하기 쉬운 반도체 공정을 개발했습니다. 뇌나 망막과 같이 여러 층에 존재하는 신경세포들에서 전달된 신호를 기록하고, 신경세포들을 선택적으로 자극하기 위한 마이크로니들을 제작하는 것이 필요한데요. 이 과정에서, 기존에는 길이가 다른 전극들을 따로따로 만들고 이들을 조립하는 복잡한 방식을 활용했습니다.
하지만 이 연구에서 제안한 새로운 공정방법은 보다 간편한데요. 원하는 신경 전극의 길이 정보를 담은 포토마스크 디자인을 이용하는 것입니다. 이 방법으로는 길이가 서로 다른 신경전극 다발을 한 번에 쉽게 만들어낼 수 있습니다. 나아가, 목표로 선택한 신경 층에 정확하게 위치하면서 조직 손상이 적을 수 있도록 전극 말단의 폭이 최대 145 mm로 끝을 뾰족하게 하고 종횡비를 높였습니다.
마이크로니들 연구 결과 및 실험 결과 ⓒKIST
실제로 생쥐를 이용한 실험 결과 기존 연구보다 100배 작은 힘으로도 생쥐 뇌에 쉽게 삽입되는 것을 볼 수 있었고, 단위면적 당 625개까지 촘촘하게 전극들을 배열함으로써 많은 양의 전기신호를 정확하고 빠르게 읽어낼 수 있음을 확인하였습니다.
과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 신진연구지원사업과 차세대지능형반도체기술개발사업의 지원으로 수행된 본 연구 성과는 ‘Nano-Micro Letters’라는 재료과학, 나노기술 분야 국제학술지에 지난해 12월 게재되었는데요. 이후에는 공정의 최적화와 소자의 생체적합성, 전기적 특성 평가 등을 진행할 예정이라고 합니다. 또한 본 연구를 통해 획득한 마이크로니들이 신경신호 정보를 통해 뇌가 어떻게 효율적으로 동작원리를 규명하는지 등 연구 결과에 대해 기대하고 있습니다.
오늘 소개한 마이크로니들 연구와 같이 과학기술정보통신부는 한국연구재단과 함께 신진연구지원사업, 차세대지능형반도체기술개발사업 등 과학 기술 분야의 다양한 발전을 지원하는 여러 사업을 진행하고 있는데요. 산업체나 학교, 연구소에서 차세대 반도체와 관련된 핵심기술 R&D 지원을 통해 연구를 지원하고, 우리나라의 관련 분야 기술 수준을 끌어올린다는 목표입니다.
여러분들은 병원에서 맞는 주사에 대해 어떤 추억을 가지고 있으신가요? 주삿바늘이 무서워 맞기 싫다고 떼쓰던 어린 시절, 예방접종 맞는 따끔한 감각에 인상 찌푸린 순간들, 대개 싫거나 무서운 기억들일 것입니다. 심하면 주사만 봐도 패닉 상태에 빠지는 공포증을 가지는 사람들도 있으니까요.
그렇다면 주사를 아프지 않게 맞을 수는 없을까요? ‘마이크로니들(Microneedle)’기술을 기반으로 만든 주사기는 통증은 줄이고, 효과는 그대로 쓸 수 있습니다.
아프지 않은 바늘, 마이크로니들
주사기 바늘과 배열된 마이크로니들과의 크기 비교 사진 (출처: 위키피디아 (https://bit.ly/2Wt4II2))
마이크로니들은 무엇일까요? 아마 이름만 들어서는 매우 미세한 주삿바늘이라고 생각하실 수도 있을 겁니다. 아주 다른 말은 아닙니다. 의학용어의 정의에 따르면 현미침이라고 해서 피부에 구멍을 내어 약물의 침투시킬 때 사용되는 도구라고 정의를 내렸으니까요. 하지만 그 ‘주삿바늘’이 뾰족한 모양의 바늘이 아닌, 0.1~2nm 가량의 미세한 돌기들로 이루어진 것에서 차이가 있는 것이죠.
마이크로니들의 원리와 제품들
마이크로니들 제품 중에서는 ‘패스포트 시스템(PassPort System)’이라는 기술을 기반으로 한 제품들이 가장 많습니다. 패스포트 시스템은 약제의 새로운 *경피 투여 시스템으로 피부 표면에 통증 없이 안전하게 미세한 구멍을 여는 ‘마이크로포레이션(Microporation) 기술’과 점착테이프에 약물을 첨가하여 피부에 붙이는 기술을 조합시킨 것입니다.
피부로 흡수가 불가능한 고분자 바이오 의약품이나 *친수성 약물을 피부로부터 흡수시킬 수 있는데 구멍의 수나 치수, 테이프 제제의 조성을 제어하여 주사처럼 짧은 시간에 흡수되도록 하거나 긴 시간에 걸쳐 방출시킬 수도 있습니다.
이를 통해 약물을 신체 내에 침투시키는 방법이 주사나 *점적으로 국한되던 상황을 피부 직접 투여를 통해 개선할 수 있고, 환자 스스로 투여할 수 있기 때문에 약물 이용을 편하게 할 수 있고, 복약 처방을 더 철저히 지킬 수 있습니다. 게다가 그동안 처방하지 못했던 약물을 마이크로니들 기술을 통해 처방할 수도 있게 되었으니, 사람들의 약물치료 환경이 더 향상될 수 있을 것입니다.
*경피(經皮): 피부를 통하여 자극이나 물질이 전달될 때 쓰이는 용어
*친수성(親水性): 물에 대한 친화력이 강한 성질
*점적(點滴): 액체가 방울방울 떨어지는 일. 의약품의 한 예로 각막에 안약 방울을 떨어뜨려 넣는 것도 점적 투여의 방법이라고 할 수 있다.
세계의 개발 현황은?
약제의 투여 능력을 향상시키고 편한 약물 투여를 가능케 한 마이크로니들 기술에 대해 각국에서 이 기술에 투자하고 그 결과 많은 제품들을 만들어냈습니다.
일본의 기능성 화학 제조회사인 닛토덴코(日東電工)는 2016년 5월 다이이치산쿄와 패스포트 시스템과 파트너십 계약을 체결했다고 발표했습니다. 그 계약의 내용은 다이이치산쿄가 보유하고 있는 특정 화합물에 한정하여 닛토덴코가 패스 토프 시스템의 독점적 사용권을 제공하는 것입니다. 닛토덴코는 경피흡수형 테이프 제제를 개발 및 제조했고, 그 결과 천식 치료용 기관지 확장약이나 협심증 치료약 등의 테이프 제제 시장에서 존재감을 보이고 있습니다.
한국 기업 또한 마이크로니들 기술에 큰 관심을 가지고 있습니다. *스타트업 액셀러레이터인 크립톤은 다목적 치료용 ‘마이크로니들’ 전문 기업인 쿼드메디슨(QuadMedicine)에 20억 원 규모의 시리즈 에이(Series A) 투자를 단행했다고 27일 밝혔습니다. 2017년 3월 중소 벤처기업부가 주관하는 기술 창업 지원 프로그램인 팁스(TIPS)에 선정되며 기술력을 인정받기도 한 쿼드메디슨은 아직 마이크로니들 기술이 상용화되지 못한 의약품 시장을 겨냥해 다목적 치료용 마이크로니들 연구개발에 박차를 가하고 있습니다.
*스타트업 액셀러레이터: 스타트업에 초기 자금과 멘토링 등을 제공하는 단체
*스타트업: 설립한 지 오래되지 않은 신생 벤처기업
약물 치료의 미래
지금까지 마이크로니들에 대한 이야기를 했습니다. 이 글을 읽는 독자분들은 우리나라의 약물치료법의 미래에 대해 생각해보셨나요? 비록 주사기를 통해 많은 질병을 치료할 수 있었지만, 통증으로 인한 거부감, 일부 병원의 주사기 재활용으로 인한 질병의 감염 등 주사기로 인해 크고 작은 문제들이 일어났습니다. 마이크로니들은 이러한 기존 주사기의 문제를 해결할 수 있습니다. 붙이는 패치(patch)를 이용해 약제를 주사함으로써 통증은 최소화하고 재활용의 가능성을 낮출 수 있기 때문입니다.
주사기로 인한 감염을 걱정하지 않아도 되는 세상, 어린아이들이 주사 때문에 울상으로 병원을 방문 안 해도 되는 세상, 약국에서 직접 구매해 집에서도 주사를 놓을 수 있는 세상, 곧 현실이 될 것입니다.
출처:과학기술정보통신부
마이크로니들 관련주
라파스
신신제약
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LG화학
메디포스트
티앤엘
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