인간의 척수를 모사한 ‘인공 미니 척수(척수 오가노이드)’에 체온만으로 스스로 밀착하며, 신경계의 전기적 활동과 염증 반응을 실시간으로 동시에 측정할 수 있는 3차원(3D) 전자칩이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 오가노이드를 파괴하지 않고도 질환의 진행 과정이나 약물 효과를 정밀하게 추적할 수 있어 차세대 정밀의학 연구에 가속이 붙을 전망이다.

한국뇌연구원(KBRI, 원장 이승복)은 정서인지질환 연구그룹 추남선 박사(주 교신저자), 경북대학교 전자공학부 신효근 교수(공동 교신저자), 한국과학기술원(KIST) 이주현 박사(공동 교신저자) 공동 연구팀이 3차원 인간 척수 오가노이드의 곡면 구조에 맞춰 스스로 접히며 신경 신호와 염증성 사이토카인을 동시에 측정하는 ‘3D 접힘형 바이오전자 인터페이스’ 플랫폼을 개발했다고 밝혔다. 연구에는 이승준(한국뇌연구원, 경북대학교), 한상민(한국과학기술원) 연구원이 공동 제1저자로 참여했다.

이번 연구는 바이오센서 분야 세계적 권위 학술지인 ‘바이오센서스 앤 바이오일렉트로닉스(Biosensors and Bioelectronics)’ 최신호에 게재됐다.
최근 인간의 신경계 발달과 질환을 실험실 환경에서 재현하는 ‘오가노이드(3차원 인공 미니 장기)’연구가 활발히 이뤄지고 있다. 신경염증은 면역 조절 물질인 사이토카인의 변화와 신경세포의 전기적 활성 변화가 복합적으로 수반되는 현상으로, 두 신호를 동시에 측정하는 것이 질환 기전 규명의 핵심이다. 그러나 기존 분석법은 오가노이드를 고정하거나 분해해야 해 연속 관찰이 불가능했고, 평면형 전극은 3D 형태인 오가노이드 표면에 밀착되지 않아 정밀 측정에 한계가 있었다.

연구팀은 인체 정상 체온 환경에서 기계적 강성이 낮아지며 형태가 변하는 ‘형상기억 고분자(SMP, Shape Memory Polymer)’를 활용해 이 문제를 해결했다. 전자칩을 오가노이드에 적용하면 별도의 외부 압력 없이도 체온에 반응해 3차원 곡면을 자연스럽게 감싸며 밀착된다. 유한효소해석과 기계적 특성 분석을 통해 온도 변화에 따른 구조 안정성과 접촉 면적 증가도 검증했다.

이번에 개발된 3D 바이오전자 인터페이스는 인공 장기를 손상시키지 않는 비침습적 방식으로 복합 생체 신호를 연속 모니터링할 수 있어, 신경염증 질환의 병태생리 연구와 맞춤형 약물 스크리닝의 정밀도를 획기적으로 높인 기술로 평가받는다. 척수뿐 아니라 뇌·말초신경 오가노이드 등 다양한 3차원 신경계 모델로 확장 적용할 수 있어 활용 가치가 높다.

한국뇌연구원 추남선 박사는 “이번 3D 전자칩은 기존 분석의 한계를 넘어 오가노이드의 생체 신호를 비침습적으로 실시간 추적할 수 있는 기술”이라며 “척수·뇌 오가노이드 기반 난치성 신경계 질환 치료제 개발과 정밀의료 플랫폼 구축을 위한 후속 연구를 이어가겠다”고 밝혔다.

한편 본 연구는 과학기술정보통신부 지원 바이오의료기술개발사업,개인기초연구사업, 한국뇌연구원 기관고유사업으로 수행됐으며, 연구 결과는 바이오 센서분야 최상위 국제 학술지 ‘바이오센서스 앤 바이오일렉트로닉스 (Biosensors and Bioelectronics, IF 11.8)’ 최신호에 게재되었다.

1. 연구의 주요 내용

□ 논문명, 저자정보  
논문명
A thermally actuated 3D foldable bioelectronic interface for multimodal electrophysiological and cytokine profiling of human spinal cord organoids
저널명
Biosensors and Bioelectronics (IF 11.8, 바이오센서 분야 JCR 상위 1.25%)
저자정보
이승준(제1저자), 한상민(제1저자), 신효근(교신저자), 이주현(교신저자), 추남선(교신저자)

□ 논문의 주요 내용
체온에 반응해 '스스로 밀착' 인공 미니 척수의 신경·염증 신호 동시에 읽는 3D 전자칩 개발

1. 연구 배경
◦ 인간 척수 오가노이드는 사람의 신경계 발달과 질환 반응을 실험실 환경에서 모사할 수 있는 3차원 생체모델로, 신경염증, 신경발달장애, 퇴행성 신경질환 등을 연구하는 데 중요한 플랫폼으로 주목받고 있다.
◦ 특히 신경염증은 TNF-α, IL-8과 같은 염증성 사이토카인의 변화와 신경세포의 전기적 활동 변화가 함께 나타나는 복합적인 생물학적 현상이다. 따라서 염증 신호와 신경활동을 동시에 측정하는 기술은 신경염증의 발생 과정과 질환 기전을 이해하는 데 필수적이다.
   ※ 사이토카인(cytokine): 우리 몸속 세포들이 상처를 치료하거나 나쁜 균에 맞서 싸울 때 서로 긴밀하게 주고받는 '세포들의 문자 메시지(신호 물질)’
   ※ 오가노이드(organoid): 인간 장기의 구조와 세포 구성을 실험실 환경에서 그대로 재현하여 질환 기전이나 약물 효과를 안전하게 연구할 수 있도록 만든 ‘3차원 인공 미니 장기(생체 모델)’
◦ 그러나 기존 분석법은 대부분 오가노이드를 고정하거나 분해한 뒤 면역염색, 유전자 분석, ELISA 등을 수행하는 방식이어서, 같은 오가노이드에서 시간에 따른 변화를 반복적으로 관찰하기 어렵다는 한계가 있었다.
◦ 또한 기존의 평면형 전극은 구형에 가까운 3차원 오가노이드 표면과 충분히 밀착되기 어려워, 안정적인 신경 신호 측정과 생화학적 신호 분석을 동시에 수행하는 데 제약이 있었다.

2. 연구 내용
◦ 본 연구팀은 인간 척수 오가노이드(이하 인공 미니 척수)의 곡면 구조에 부드럽게 밀착하면서, 신경 전기활동과 염증성 사이토카인 신호를 동시에 측정할 수 있는 3D 접힘형 바이오전자 인터페이스를 개발하였다.
◦ 개발된 플랫폼은 형상기억고분자(shape-memory polymer, SMP)를 기반으로 제작되었으며, 생리적 온도인 36–37°C 부근에서 기계적 강성이 낮아지도록 설계되었다. 이를 통해 외부에서 강한 압력을 가하지 않아도 3차원 오가노이드 표면을 자연스럽게 감싸는 구조를 형성할 수 있다.
◦ 본 장치는 금 미세전극을 이용해 오가노이드의 세포외 신경활동을 기록하고, 항체가 기능화된 전기화학 센서를 통해 TNF-α와 IL-8 같은 염증성 사이토카인을 검출할 수 있도록 구성되었다.
◦ 연구팀은 유한요소해석과 기계적 특성 분석을 통해, 온도 변화에 따라 SMP 구조가 안정적으로 휘어지고 오가노이드 표면과의 접촉 면적이 증가함을 확인하였다. 또한 37°C에서 전극–오가노이드 계면 임피던스가 감소하여, 더 안정적인 전기적 접촉이 형성됨을 검증하였다.
◦ 인간 척수 오가노이드에 TNF-α를 처리하여 신경염증 모델을 구축한 결과, NF-κB의 핵 내 이동, GFAP 및 C3 발현 증가, 염증 관련 유전자 발현 증가가 관찰되었다. 이는 TNF-α 자극에 의해 오가노이드 내 신경염증 반응이 유도되었음을 보여준다.
◦ 개발된 3D 바이오전자 인터페이스를 적용한 결과, TNF-α 농도가 증가할수록 오가노이드의 신경 발화율이 증가했으며, 동시에 TNF-α 및 IL-8에 해당하는 전기화학 신호 변화도 농도 의존적으로 확인되었다.
◦ 특히 본 플랫폼은 하나의 오가노이드에서 신경활동과 염증성 사이토카인 신호를 동시에 측정할 수 있어, 염증 반응과 신경 네트워크 활성 변화의 상관관계를 직접 분석할 수 있는 가능성을 제시하였다.

3. 연구 성과 및 기대효과
◦ 본 연구는 인간 척수 오가노이드의 3차원 구조에 맞춰 스스로 밀착되는 온도 반응형 바이오전자 인터페이스를 제시했다는 점에서 의미가 있다.
◦ 기존의 평면 전극 기반 측정 방식과 달리, 본 플랫폼은 오가노이드의 곡면을 감싸는 3D 구조를 통해 접촉 안정성을 높이고, 신경 전기신호 측정의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
◦ 또한 기존의 면역염색, 유전자 분석, ELISA와 같은 종말점 분석법이 특정 시점의 결과만 제공하는 데 비해, 본 기술은 오가노이드를 손상시키지 않고 신경활동과 염증 신호를 함께 읽어낼 수 있다는 장점이 있다.
◦ 이를 통해 신경염증 질환 모델에서 염증성 사이토카인 변화가 신경 네트워크 기능에 미치는 영향을 보다 정밀하게 분석할 수 있으며, 향후 신경계 질환의 병태생리 연구와 약물 반응 평가에 활용될 수 있다.
◦ 나아가 본 3D 바이오전자 인터페이스는 척수 오가노이드뿐만 아니라 뇌 오가노이드, 말초신경 오가노이드 등 다양한 3차원 신경계 모델로 확장될 수 있으며, 오가노이드 기반 정밀의학 및 약물 스크리닝 플랫폼으로 발전할 가능성이 있다.
◦ 본 연구는 3차원 인간 신경조직 모델에서 전기적 기능 신호와 생화학적 염증 신호를 동시에 측정할 수 있는 새로운 바이오전자 기술을 제시함으로써, 신경염증 연구와 오가노이드 기반 질환 모델링의 정밀도를 높이는 데 기여할 것으로 기대된다.

4. 연구지원
◦ 본 연구는 과학기술정보통신부 개인기초과제(NRF-2021-NR062074), 바이오·의료기술개발(RS-2025-02243041) 및 한국뇌연구원 기관고유사업(26-BR-02-02, 26-BR-04-01, 26-BR-ISD-02)의 지원을 받아 수행되었습니다.

5. 주요 키워드 설명
◦ 사이토카인(cytokine): 우리 몸속 세포들이 상처를 치료하거나 나쁜 균에 맞서 싸울 때 서로 긴밀하게 주고받는 '세포들의 문자 메시지(신호 물질)’
◦ 오가노이드(organoid): 인간 장기의 구조와 세포 구성을 실험실 환경에서 그대로 재현하여 질환 기전이나 약물 효과를 안전하게 연구할 수 있도록 만든 ‘3차원 인공 미니 장기(생체 모델)’