신경세포 구조 세밀한 관찰 가능한 뉴런 표지 기술 ‘NeuM’ 개발

최대 72시간 동안 신경세포의 변화 모니터링 성공

퇴행성 뇌질환의 비밀 풀어줄 열쇠가 나왔다.

한국과학기술연구원(KIST)은 뇌과학연구소 김윤경 박사 연구팀이 포항공과대학 장영태 교수 연구팀과 함께 차세대 뉴런 표지 기술인 NeuM을 개발했다고 21일 밝혔다. 

NeuM(뉴엠, Neuronal Membrane-selective)은 신경세포막을 표지해 뉴런구조를 시각화하고 뉴런의 변화양상을 실시간으로 모니터링할 수 있는 차세대 뉴런 형광 표지 기술이다.

뉴런은 감각기관으로 받아들인 정보를 뇌로 전달해 생각, 기억, 행동을 조절하기 위해 구조와 기능을 지속해서 변화시킨다. 

따라서 퇴행성 신경질환을 극복하기 위해서는 살아있는 뉴런을 선택적으로 표지해 실시간으로 모니터링하는 기술 개발이 필요하지만, 뉴런을 관찰하기 위해 현재 가장 많이 사용하고 있는 유전자 기반 표지 기술과 항체 기반 표지 기술은 특정 유전자의 발현이나 단백질에 의존하기 때문에 정확성이 낮고 장기간 추적 관찰하는 데 어려움이 있었다.

그러나 연구팀이 신경세포의 분자 설계를 통해 개발한 NeuM은 신경세포막에 우수한 결합력을 갖고 있어 뉴런의 장기 추적관찰 및 고해상도 이미징이 가능하다. 

NeuM에 존재하는 형광 프로브(Probe)는 살아있는 세포의 활성을 이용해 신경세포막에 결합한 뒤 프로브 내의 형광 성분을 특정 파장의 빛으로 방출한다. 

이를 통해 신경세포의 막을 시각화하면 신경세포 말단구조를 세밀하게 관찰할 수 있으며, 신경세포의 분화 및 신경세포 간 상호작용 또한 고해상도로 모니터링이 가능하다.

또한, NeuM은 살아있는 신경세포의 세포내이입(Endocytosis)을 통해 세포막을 염색하는 최초의 기술로 세포내이입이 없는 죽은 세포에는 반응하지 않는 선택성을 갖는다. 

6시간에 불과했던 신경세포의 관찰 시간을 최대 72시간까지 늘리는 데 성공해 외부 환경 변화에 따라 살아있는 신경세포가 장시간 동안 어떤 동적인 변화 과정을 거치는지 포착할 수 있게 됐다.

연구팀은 NeuM이 아직 치료제가 없는 퇴행성 신경질환의 연구와 치료법 개발에 실마리를 제공할 것으로 기대하고 있다. 

퇴행성 뇌질환은 아밀로이드와 같은 독성 단백질 생성 및 염증 물질의 유입으로 신경세포가 손상되어 발생하는데, NeuM은 신경세포의 변화를 더욱 정밀하게 관찰함으로써 치료 후보물질의 효능을 평가하는 데 효과적으로 활용될 수 있다는 것이 연구팀의 설명이다.

KIST 김윤경 박사는 “이번에 개발된 NeuM은 노화 및 질병으로 인해 퇴행하는 신경세포를 구분할 수 있어 퇴행성 뇌질환의 발생기전을 규명하고 치료법 개발에 중요한 도구가 될 것”이라며 “앞으로는 지금보다 더 정밀한 신경세포의 분석을 위해 형광 파장 제어설계를 통해 녹색, 빨강 등 색깔을 구분할 수 있도록 고도화할 계획”이라고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부의 지원을 받아 KIST 주요사업과 치매극복 사업(RS-2023-00261784)으로 수행됐으며, 연구 성과는 국제학술지 ‘Angewandte Chemie’에 최신 호에 게재됐다.