DGIST 대구경북과학기술원

- 최홍수 교수팀, 오용석 교수팀, 한국뇌연구원 라종철 책임연구원팀, 생체 외 환경에서 해마 뇌 조직의 목표지점에 마이크로로봇 전달 후 신경망 연결 및 신경신호 측정

- 연구 및 세포치료제 검증과 분석 연구에 큰 역할 기대

 

 DGIST (총장 국양) 로봇및기계전자공학과 최홍수 교수팀이 탈체 상태 중 생체 외 환경에서 해마 조직 절편과 신경망 형성이 가능한 마이크로로봇을 개발했다. 한국뇌연구원 라종철 책임연구원팀과 공동연구를 통해 세포 전달 및 이식 과정 중 생체 외 환경에서 마이크로로봇을 이용하여 구조적, 기능적으로 연결된 신경망 분석이 가능함을 확인했다. 향후 신경망, 세포치료제 및 재생 의학 분야에서 다양하게 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

 질환 또는 손상으로 인한 신경세포의 재생을 위해 세포치료제나 세포 전달 기술들이 개발되고 있는데, 최근 최소침습적 정밀 세포 전달이 가능한 마이크로로봇을 이용한 기술이 주목받고 있다. 기존 마이크로로봇을 이용한 세포 전달 연구나 신경망 연결 연구들에서는 주로 세포 수준에서 세포의 구조적, 기능적인 연결성 검증만 수행됐다.

 이에 DGIST 최홍수 교수팀은 신경망 연결을 실제 활용할 수 있도록 마이크로로봇을 활용한 연구를 수행했다. 마이크로로봇을 통해 탈체 환경에서 기능적으로 연결된 신경망 분석과 세포 전달이 가능하도록 개발하고자 하였으며, 이를 위해 쥐의 뇌 조직을 이용하여 실험을 수행했다.  

 우선 연구팀은 쥐의 뇌 조직 속 해마 일차 신경세포에 초상자성 산화철 나노입자(Iron oxide nanoparticles)를 부착시켜 3차원 구체(Spherical) 형상의 자성 신경 마이크로로봇(Mag-Neurobot)을 제작했다. 로봇 내부에는 외부 자기장에 반응하여 원하는 위치로 이동할 수 있도록 자성 나노입자가 포함되어 있는데, 생체적합성 확인을 통해 로봇의 자성이 신경세포 성장에 영향을 미치지 않음을 확인하면서 안정성 또한 검증했다.

 연구팀은 자기장 제어를 이용하여 마이크로로봇을 쥐 해마 조직 절편으로 이동시키고, 면역 형광염색법을 통해 마이크로로봇에 포함된 세포들과 해마 조직 절편 내 세포들이 서로 구조적으로 신경돌기들을 뻗으며 연결되어 있음을 관측했다.

 또한 마이크로로봇을 통해 전달된 신경세포가 정상적으로 전기생리적 특성을 가지는지 측정하기 위해 미세 전극 칩(Microelectrode array, MEA)으로 마이크로로봇 속 신경세포를 자극했고, 해마 조직 절편 내 신경세포들을 통해 전기 신호가 정상 전파됨을 검증했다. 이를 통해 마이크로로봇으로 전달된 신경세포가 기능적으로도 쥐의 해마 조직 절편 내 세포들과 신경망을 형성할 수 있고, 인공 신경망 형성 및 신경세포 전달체로서의 역할을 할 수 있음을 최종적으로 확인했다.

 DGIST 최홍수 교수는 “전기 생리학적 분석법으로 마이크로로봇과 쥐 뇌 신경 조직이 기능적으로 연결할 수 있음을 검증했다”며, “이번 연구로 개발된 기술이 향후 신경질환 및 세포치료제 분야에서 표적 정밀 치료의 검증을 위한 도구로 다양하게 활용될 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.

 한편, 이번 연구는 과학난제도전협력지원단, 한국연구재단 및 과학기술정보통신부의 지원으로 수행됐으며, 연구 결과는 재료 분야 최고 권위 학술지 ‘어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials, JSR IF 32.086, 분야 상위 2.1%)’에 2월 15일(수) 온라인 게재됐다.

 

 

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연구결과개요

A neurospheroid-based microrobot for targeted neural connections in a hippocampal slice

Eunhee Kim, Sungwoong Jeon, Yoon-Sil Yang, Chaewon Jin, Jin-young Kim, Yong-Seok Oh, Jong-Cheol Rah, and Hongsoo Choi

(Advanced Materials (IF:32.086), 2023, 2208747)

 

  세포 또는 신경망 연결의 재확립에 의한 기능 복원은 신경질환, 표적 세포 치료 및 재생 의학의 주요 과제이다. 자기장을 이용하여 제어가 가능한 마이크로로봇의 최근 발전은 표적 세포 치료에 대한 가능성을 보여주고 있다. 본 연구에서는 자성 나노입자(Superparamagnetic nanoparticles) 기반의 자성 신경 마이크로로봇(Mag-Neurobot)의 생체 내 적용을 위해 해마 조직 절편과의 구조적 및 기능적 연결을 생체 외 모델(ex vivo) 환경에서 형성하고 평가하였다. 쥐 뇌의 해마 일차 신경세포와 초상자성 나노입자로 이루어진 Mag-Neurobot은 외부 자기장을 이용하여 정확하게 원하는 곳으로 정밀하게 제어하거나 이동시킬 수 있었다. 패치-클램프(patch-clamp) 측정 결과는 자성 나노입자와 함께 배양된 해마 일차 신경세포의 뉴런 흥분성이나 시냅스 기능이 정상 신경세포와 비교하여 차이가 없는 것을 보여주었다. 고밀도 미세 전극 칩(microelectode array)을 이용한 신경 활동 전파 분석 결과, 자기장을 통해 전달된 Mag-Neurobot이 쥐의 해마 조직 절편과 기능적으로 연결되어 있음을 검증하였다. 본 연구는 정확한 세포 전달 및 이식을 통해 쥐의 해마 조직 절편과 기능적인 신경 연결 및 신경 재생 과정에서 일어나는 신경 활동을 분석하여 신경질환 및 세포치료제 관련 기초연구에 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 ex vivo 및 in vivo 모델에서 신경, 심장 등의 다양한 줄기세포를 사용하여 세포 전달 기반 기능적 활동 분석 플랫폼을 구현하고, 약물 및 독성테스트를 수행하는 등 확장된 응용 분야에 활용될 수 있을 것이다.

 

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연구결과문답

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?

뇌 질환 및 손상된 신경세포 재생 등을 위해 세포치료제나 세포 전달 기술들이 개발됐으며, 최소침습적 정밀 세포 전달이 가능한 마이크로로봇을 이용한 기술이 최근 주목받고 있음. 본 연구는 자기장 제어를 통해 자성 신경 마이크로로봇(Mag-Neurobot)을 정밀하게 이동시켜 쥐의 해마 절편과 연결한 연구로, 최초로 실제 쥐의 뇌 조직을 활용한 자기장 기반 선택적 신경 연결 형성 및 ex vivo (생체 외) 환경에서 기능적인 신경망을 구현한 연구이다. 마이크로로봇 기반 표적 세포 전달 연구는 in vitro(체외) 실험뿐만 아니라 동물실험을 통한 in vivo(생채 내) 세포 전달 가능성이 검증되어왔으나, 이러한 방식으로 생체 내로 전달된 세포의 기능을 분석하기에는 어려움이 있다. 따라서 기존에는 마이크로로봇을 이용한 세포 전달이나 신경 연결 연구들에서는 in vitro 환경에서의 세포의 구조적, 기능적인 연결성 검증이 수행되어왔다. 본 연구는 이전에 수행된 신경 연결을 위한 마이크로로봇과는 사용된 재료, 제작 기법, 유용성 등의 관점에서 다르고, 향후 생체 내 적용을 위해 실제 쥐의 뇌 조직 환경에서의 세포 전달 및 기능적인 연결을 분석할 수 있는 기반 기술을 제시했다는 점에서 더욱 진보된 연구라고 할 수 있다.

Q. 어디에 쓸 수 있나?

본 연구팀이 개발한 자성 신경 마이크로로봇은 정확한 세포 전달 및 이식을 통해 생체 외 기능적인 신경 연결 및 신경 재생 과정에서 일어나는 신경 활동을 분석하여 신경 손상에 대한 치료 관련 기초연구에 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 다양한 환경과 모델에서 신경, 심장 유래 줄기세포를 사용하여 세포 전달 기반 기능적 활동 분석 플랫폼을 구현하고, 약물 및 독성테스트를 수행하는 등 차세대 세포치료제 개발에 활용될 수 있을 것으로 예상된다.

Q. 실용화까지 필요한 시간은?

연구팀은 본 연구를 통해 생체 내 세포 전달 및 이식을 통한 신경세포치료를 검증하기 위한 수단으로, 세포 기반 마이크로로봇의 신경회로 및 시냅스 연결성 분석과 기능적 신경 신호 활동 분석 가능성을 검증하였다. 실용화 및 임상 가능성을 확인하기 위해서는 동물실험을 통한 실제 치료 효과 검증 연구가 필요하며, 이러한 마이크로로봇의 실용화를 통해 인체로 적용하는 것은 임상 연구가 필요하므로 더욱 많은 시간과 노력이 필요할 것이다. 실용화 시기는 해당 기술의 고도화와 유효성 검증 관련 결과가 가시적으로 나타날 때쯤 결정될 수 있을 것으로 본다. 실용화 시기를 앞당기기 위해 연구팀은 국내 및 글로벌 공동연구를 통해 다양한 기초 및 응용 연구를 수행하여 실용화에 도달할 수 있도록 노력할 것이다.

Q. 실용화까지 필요한 과제는?

마이크로로봇의 실용화를 위해서는 뇌 질환별 특화된 마이크로로봇의 개발, 동물실험, 정밀 제어용 자기장 제어 시스템, 마이크로로봇 시각화 및 실시간 이미징 시스템 등의 연구도 함께 진행이 필요하다. 마이크로로봇의 체내 정밀 제어와 임상 시험을 위한 기술 고도화가 필요한 상황이므로 더 많은 연구와 시간이 필요할 것으로 사료된다. 따라서 해당 연구의 기술 고도화 및 상용화를 위해서는 추가적인 기술 개발 및 임상시험 등이 필요하며, 정부부처의 적극적인 지원을 바탕으로 단계별로 점진적으로 해결해나갈 수 있을 것으로 기대한다.

Q. 연구를 시작한 계기는?

연구팀은 기존 세포치료 전달 방법의 한계를 극복하기 위해 외부 자기장을 이용해 최소침습적으로 표적 부위로 세포치료제를 정밀하게 전달할 수 있는 마이크로로봇를 개발하고 있다. 이전 연구에서 자기장 제어를 통해 신경세포를 전달하여 선택적인 신경 네트워크 형성 및 연결을 위한 마이크로로봇을 개발한 바 있다(Kim et al., Science Advances, 2020). 본 연구는 이전 연구를 획기적으로 발전시킨 것으로, 마이크로 구조체를 사용하는 대신 FDA 승인받은 초상자성 자성 나노입자를 채택하고, 세포 수준의 실험을 실제 쥐의 뇌 조직을 이용한 실험으로 발전시킴으로써 실제 마이크로로봇의 생체 적용을 위한 발전 가능성을 보여주었다.

Q. 어떤 의미가 있는가?

연구팀은 세포치료제의 유효성 검증에 대한 기초연구로써, 생체 실험을 위한 사전 검증실험으로 실제 쥐의 뇌 조직을 이용한 실험을 통해 마이크로로봇 기반 세포 전달의 기능적인 연결성을 검증하였으며, 이는 기존 마이크로로봇 연구의 진보된 형태의 연구라는 점에서 의미가 있다. 또한 상용화되어 있는 세포 배양 멀티 웰 플레이트를 사용하여 자성 나노입자를 가진 신경 마이크로로봇을 쉽게 제작할 수 있으므로 관련 분야의 연구자들이 응용 연구를 수행하는데 진입 장벽이 낮고, 활용도가 높다고 볼 수 있다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?

본 연구에서 제시된 마이크로로봇과 신경 연결성 검증 기술이 최근 세포치료제 기술 및 관련 연구의 발전에 이바지할 수 있기 바란다. 동물실험 등의 추가적인 연구를 통해 신경 마이크로로봇을 전달을 통한 기능적인 회복이 가능한지 검증하고자 한다. 궁극적으로, 본 연구에서 사용된 기술을 응용하여 뇌 질환, 무릎 질환, 안구 질환 등 신경세포를 전달하여 신경 기능 회복이 필요한 곳에 실제 세포치료제를 정밀하게 전달하는데 활용될 수 있기를 기대한다.

 

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그림설명

[그림 1] 

자성 나노입자(SPIONs, Superparamagnetic nanoparticles)가 포함되지 않은 마이크로로봇의 신경돌기 배양 세포 염색 결과 (상)와 본 연구에서 새롭게 개발한 자성 신경 마이크로로봇(Mag-Neurobot)의 신경돌기 배양 세포 염색 결과 (하)

[그림 2] 

자성 신경 마이크로로봇의 정밀 제어를 통한 해마 조직 절편과의 연결 과정

 

[그림 3] 

자성 신경 마이크로로봇과 연결된 해마 조직 절편의 세포 염색 결과 (상, 좌), 마이크로로봇과 해마 조직으로부터 발생한 자발적 전기 신경 신호 측정 결과 (상, 우), 마이크로로봇 내 신경세포 자극을 통해 해마 조직 절편으로 전달된 신호의 순차적 전달결과 (하)