한빛사 인터뷰
- 등록2024-01-16
- 조회521
1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드
도파민은 다양한 생리적 기능을 담당하는 핵심 신경 전달 물질입니다. 이러한 도파민을 방출하는 도파민성 신경세포의 기능에 이상이 생기면 파킨슨 병과 같은 신경퇴행성질환이 유발되는 것으로 알려져 있습니다. 2020년 기준, 전 세계적으로 파킨슨 병 환자 수는 940만 명에 이른 것으로 알려졌으며, 더욱 심각한 것은 그 수가 급격히 증가하여 지난 30년 동안 3배가 되었다는 것입니다. 그럼에도 불구하고, 현재까지 파킨슨 병을 영구적으로 완치할 수 있는 효과적인 치료법은 개발되고 있지 못한 실정입니다. 이 문제를 해결하기 위해 줄기세포에서 새로 생성된 도파민성 신경세포를 체외 이식하여 중뇌에서 도파민 합성 및 세포외 유출을 복원할 수 있는 줄기세포 치료제 개발이 시도되고 있습니다. 하지만, 줄기세포 치료제 개발은 효율성과 실용성 측면에서 굉장히 어려운데요, 실험실 환경에서 줄기세포의 거동을 완전히 제어하는 것 뿐만 아니라, 줄기세포로부터 생산되는 신경세포의 분화 유형과 도파민 방출 기능을 정확하게 특성화하는 것이 중요하기 때문입니다. 심지어, 체외 이식을 고려하였을 때, 줄기세포로부터 생산된 신경세포의 손상을 최소한으로 할 수 있도록 비파괴적인 세포 분화 및 성숙도 분석 방법이 필요합니다. 저희는 이번 연구에서, 도파민의 쉽게 산화되거나 환원될 수 있는 전기화학 특성을 이용하여 도파민성 신경세포로부터 방출되는 도파민을 매우 민감하고 선택적으로, 실시간 측정할 수 있는 전기화학 센서를 개발하였습니다. 해당 센서는 산화 그래핀, 폴리파이롤 및 금 나노입자를 포함한 나노물질로 구성된 3차원 나노기둥 배열 어레이로 이루어져 있습니다. 저희가 이번 연구에서 개발한 센서는 33.4 nM의 도파민까지 측정할 수 있으며, 살아있는 세포의 배양환경에서도 선택적으로 도파민을 측정할 수 있습니다. 저희는 해당 센서를 활용하여, 유도 만능줄기세포로부터 생산되는 도파민성 신경세포의 각 분화 과정에서 방출되는 도파민을 측정하고, 이를 통해 신경세포의 분화 및 성숙도를 실시간으로 모니터링하였습니다.
해당 센서를 개발하는 과정에서는 특히나, 나노 패턴으로부터 나노물질을 증착하고 최적화하는 과정이 매우 고된 일이었습니다. 하지만, 저와 함께 1 저자로서 센서 개발에 동참한 박준하 박사과정 학생과 서로 의지하고 나아가는 과정은 단순히 센서 개발 및 논문화 성공을 떠나서 매우 보람차고 재미있는 과정이였습니다.
2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁드립니다.
중앙대학교 융합공학부 바이오메디컬공학 김태형 교수님 연구실 (https://bestlaboratory.wixsite.com/best)은 나노/마이크로 구조체 제작 기술을 이용한 줄기세포 거동 제어 및 분화 모니터링 용 플랫폼 개발 연구와 3차원 세포/조직 배양 기술 및 약물 스크리닝 기술 개발 연구를 수행하고 있습니다. 원천기술 및 플랫폼 개발에 주력하는 만큼 다양한 분야의 타 연구시설 및 의료기관, 대학기관과의 합동 연구가 활발하게 이뤄지고 있습니다.
3. 연구 활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람
제가 연구활동을 하면서 느꼈던 가장 큰 보람은 실험 과정 중 발생하는 문제들을 해결해 나가는 일입니다. 단편적인 예로, 전기화학 센서 개발의 경우, 나노 재료를 이용한 전극 표면 개질화 기술이 중요합니다. 이번 연구에서 사용한 개질화 기술의 핵심은 나노 구조체 형성이었습니다. 나노 구조체를 형성시키는 과정 중, 구조체가 잘 생성이 안되거나, 구조체의 형상 및 크기에 대한 편차가 너무 크다는 문제가 지속적으로 발생하였습니다. 하지만, 발생하는 문제의 원인을 하나 하나씩 파악해가고 해결해가면서 결국 균일하게 나노 구조체를 형성시킬 수 있었습니다. 여러 노력들이 하나로 모여 결국 성공에 다다르는 일은 매우 흥분되고 큰 보람이 되었습니다.
연구활동 중 가장 큰 자부심은 사람입니다. 제가 속해 있는 중앙대학교 나노세포공학연구실의 랩원들은 총 11명입니다. 각자 성별도 다르고, 나이도 다르지만, 모두 성실하고 너무나도 좋은 사람들입니다. 연구를 하다보면 가끔은 실험 결과가 안 좋아서 낙담하기도, 우울하기도 하지만, 그 때마다 랩원들이 밝은 에너지로 하루를 채워주곤 합니다. 지금껏, 다른 연구실은 경험해보지 않았지만, 다른 연구원분들에게 자랑하고 싶은, 저의 가장 큰 자부심은 바로 우리 랩원들입니다.
4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?
줄기세포의 분화를 제어하고 제어된 줄기세포의 거동을 탐지하는 기술은 다양한 줄기세포 연구에 직접적이고 실용적인 활용이 가능합니다. 이러한 점에서 해당 뷴야는 평소 줄기세포의 분화에 관심있는 학생 분들에게 있어, 매우 흥미로운 토픽이 될 것 같습니다. 특히 줄기세포 기반 센서 개발은 줄기세포의 생물학적 현상을 공학적인 관점과 기술을 통해 해석하고자 하는 분야로써, 세포생물학, 분자생물학 등의 생물학적인 지식과 함께 전기화학, 나노 재료 등의 공학적인 지식도 함께 공부하시면 도움이 될 것 같습니다.
5. 연구 활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?
저희는 이번 연구에서 신경전달물질으로서 도파민 1종류를 측정하는 센서를 개발하였습니다. 앞으로의 연구에서는 줄기세포로부터 도파민성 뉴런 뿐만 아니라 다양한 종류의 신경세포를 생성하여 GABA, 세로토닌, 글루타메이트 등을 포함하여 여러 종류의 신경전달물질을 동시 측정할 수 있는 센서를 개발하고자 합니다. 이를 통해 줄기세포부터 분화되는 신경세포의 그 종류와 기능을 정성 및 정량 분석할 수 있는 센서를 개발하고자 합니다. 최종적으로는, 뇌 오가노이드의 성숙화 및 분화도를 평가를 할 수 있는 센서를 개발할 계획입니다.
6. 다른 하시고 싶은 이야기들.....
저도 나날이 실험을 하고 공부하며, 저의 많은 부족한 점들을 하나 둘 씩 개선하고 좀 더 나은 연구원이 되고자 노력하고 있습니다. 연구라는 것을 논하기에는 아직도 너무나도 부족한 학생이지만, 연구는 가슴을 뛰게 함과 동시에, 큰 중압감과 책임감으로 많은 스트레스를 주기도 합니다. 하지만, 저를 포함한 여러 연구원 분들 모두 쉽지 않은 날들을 꿋꿋이 걸어가며, 하나 하나씩 뚜벅 걸어가다 보면 밝은 날들이 있을 거라 확신합니다. 마지막으로, 우리 귀한 랩원들, 철휘형, 희중, 복남, 준하, 경모, 창대, 민지, 윤식, 형주, 에스더, 진규에게 항상 고맙다는 인사 전하고 싶습니다. 그리고 무엇보다도, 저의 스승이자, 멘토이신 중앙대학교 융합공학부 김태형 교수님께 큰 존경과 감사를 드리고 싶습니다.
#도파민 센싱
# 나노패턴
# 전기화학 센서
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