뇌 20배 이상 팽창…20나노미터 초미세구조까지 정밀 관측

2017년 04월 18일 18:30

성균관대와 미국 매사추세츠공대(MIT) 공동 연구진이 개발한 뇌 팽창 기술로 뇌를 20배 팽창시킨 모습. - 성균관대 제공

성균관대와 미국 매사추세츠공대(MIT) 공동 연구진이 개발한 뇌 팽창 기술로 뇌를 20배 팽창시킨 모습. - 성균관대 제공

한미 공동 연구진이 뇌 조직의 초미세구조를 관찰할 수 있도록 뇌를 20배 이상 팽창시키는 기술을 개발했다. 뇌가 어떻게 작동하는지 이해하고 뇌 질환 치료법을 개발하는 데 도움이 될 전망이다.
 
장재범 성균관대학교 성균융합원 글로벌바이오메디컬공학과 교수팀은 에드 보이든 미국 매사추세츠공대(MIT) 교수팀과 공동으로 뇌를 비롯한 장기를 20배 이상 팽창시키는 기술을 개발했다고 18일 밝혔다. 장 교수가 제1저자, 보이든 교수가 교신저자로 참여했다.
 
이 기술을 활용해 뇌를 팽창시키면 뇌가 크고 투명해져 일반 현미경으로도 조직의 깊숙한 곳을 고해상도로 관찰할 수 있게 된다. 일반 광학 현미경을 기준으로 20나노미터(㎚·1㎚는 10억 분의 1m) 수준의 해상도를 얻을 수 있다. 장 교수는 “20㎚ 거리의 두 물체를 구분 가능한 해상도”라며 “이는 기존 대비 10배 이상 향상된 수준”이라고 설명했다.
 
앞서 2015년 보이든 교수팀은 물을 흡수하는 흡수겔인 ‘하이드로겔’을 이용해 뇌를 4배가량 팽창시킬 수 있는 기술을 개발했다. 하이드로겔은 물에 넣으면 흡수한 물의 부피만큼 팽창하는 물질로, 아기 기저귀를 만드는 데도 활용된다.

 

장 교수팀은 이후 이 기술을 획기적으로 개선해 이번에 쥐의 뇌를 20배 가량 팽창시키는 데 성공했다. 뇌를 0.1~0.2㎜ 두께로 절단한 뒤, 하이드로겔 수용액에 담가 온도를 올려 주면 뇌 조직 내부에 겔이 채워진다. 이를 꺼내 투명화 처리를 한 뒤 다시 물에 넣어 주면 뇌 조직 내의 하이드로겔이 물을 흡수하면서 뇌가 팽창하는 원리다. 장 교수는 “화학 처리를 거쳐 20배로 팽창한 뇌는 물에 넣었을 때 보이지 않는 완전 투명 상태가 된다”며 “이를 활용하면 뇌신경세포(뉴런)들을 자세히 관찰할 수 있다”고 설명했다. 연구진에 따르면 배양세포에 한해서는 최대 50배까지도 팽창시킬 수 있는 것으로 나타났다.
 
이 기술은 뇌뿐만 아니라 폐, 간, 비장, 암 조직 등 현미경으로 관측하는 모든 생물 조직에 활용될 수 있다. 장 교수는 “이번 연구 성과는 많은 사람들이 고통 받고 있는 뇌질환의 원인을 이해하고 그 치료법을 개발하는 데 도움이 될 것으로 기대한다”며 “뇌 연구뿐만 아니라 암 연구, 줄기 세포 연구, 신약 개발 등 다양한 분야에 쓰일 수 있을 것”이라고 말했다.

 

연구진은 향후 이 기술을 활용, 사람의 암세포 조직을 초고해상도로 관찰해 다량의 데이터를 얻고 이를 인공지능(AI)으로 분석하는 후속 연구도 진행할 계획이다. 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 메소드’ 18일자 온라인판에 게재됐다.

 

한편 뇌를 정밀 관측하기 위한 기술은 세계적으로 활발하게 연구되고 있다. 김진현 한국과학기술연구원(KIST) 기능커넥토믹스연구단장 팀은 2011년 분자 기술을 사용해 쥐의 뇌신경세포를 연결하는 시냅스만 녹생형광을 띠게 만들고, 이를 통해 뇌 속 해마의 복잡한 신경망을 3차원으로 시각화 하는 데 성공했다. 2013년에는 칼 다이서로스 미국 스탠퍼드대 교수팀과 재미 과학자인 정광훈 미국 매사추세츠공대(MIT) 교수 팀이 쥐의 뇌에서 지방층을 없애 뇌를 투명하게 만드는 기술을 개발했다. 정 교수팀은 지난해 박정윤 연세대 강남세브란스 신경외과 교수팀과 공동으로 쥐의 뇌를 4배 이상 크게 만드는 데 성공하기도 했다.

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