한국표준과학연구원(KRISS)이 파킨슨병, 간질 등 뇌 신경 관련 질환과 관련된 중요한 신경전달물질인 도파민의 농도를 정량적으로 검출해 정확히 측정할 수 있는 기술을 개발하는 데 성공했다.
표준연은 소재융합측정연구소 유은아 책임연구원이 미국 버지니아 공대와 공동연구를 통해 초고감도로 도파민을 정확하고 정량적으로 검출할 수 있는 디지털 표면증강라만분광(SERS) 센싱 플랫폼을 개발했다고 17일 밝혔다. 이는 세계 최초로 제시한 새로운 형태의 나노구조기반 디지털 센싱 플랫폼이다.
이번 기술은 도파민 검출 여부를 나노구조에 기반한 디지털 신호 기법으로 하나씩 세는 방법을 적용해 전체 측정 신호를 합산하여 분석하는 기존 기술보다 훨씬 더 정확하다는 장점이 있다. 향후 뇌 신경 관련 질환의 조기 진단 및 치료를 위한 모니터링에 활용할 수 있을 것으로 전망된다.
퇴행성 뇌질환의 하나인 파킨슨병은 도파민을 분비하는 부분의 신경세포가 손상됐을 때 발생한다. 알코올·쇼핑·니코틴 등 다양한 중독증상의 경우, 뇌에서 도파민 분비량이 과도해지면 충동을 조절하는 뇌의 전두엽을 계속 자극해 자신의 충동을 억제하지 못해 나타날 수 있다.
이처럼 도파민은 다양한 뇌 활동 및 생리학적 상황과 관련된 중요한 신경전달물질이다. 대사활동 및 면역체계를 조절하는 면역조절과도 관련된 물질이기 때문에, 도파민의 수치 변화는 다양한 뇌 신경 관련 질환을 진단하는 데 매우 중요하다.
뇌 신경 질환을 진단하기 위한 도파민의 수치 변화를 측정하려면 1 pM(피코몰·1조분의 1몰) 수준까지 정확하게 검출할 수 있는 센서가 필요하다. 대표적으로 개발된 기술 중 하나인 전기화학센서는 고감도로 신속하게 검출할 수 있지만 측정원리 상 전위가 비슷한 물질들은 구분이 어렵기에 정확성이 떨어진다는 단점을 갖는다.
공동연구팀은 3차원 나노구조 층과 검출대상인 도파민을 선택적으로 인식할 수 있는 분자로 개질된 금 나노입자를 이용해 도파민이 붙게 되면 강한 SERS 신호를 낼 수 있는 Hotspot 구조를 만들었다. Hotspot은 금이나 은 같은 플라즈모닉 금속이 서로 매우 가깝게 있을 때(보통 수 나노미터 이내) 생기는 매우 강한 전자기장 영역으로 Hotspot 안에 분자가 있을 때 매우 강한 SERS 신호를 얻을 수 있다.
나노구조 금 표면 위에 도파민이 붙은 곳을 인식하는 금 나노입자로 인해 Hotspot에서 발생한 강한 SERS 신호가 나오는 곳을 ‘on’으로, 없는 곳을 ‘off’로 세는 디지털 신호 분석을 수행했다. 이를 통해 정확한 검출이 어려웠던 1pM까지 초고감도·선택성·정량성을 확보하며 도파민을 검출하는 데 성공했다.
유은아 책임연구원은 “이번 기술은 실제 사람의 뇌척수액 등의 임상 시료에 바로 적용할 수 있어 응용성이 크다”며 “향후 알츠하이머, 코로나19 바이러스 등과 같은 질병 및 감염병 관련 물질을 극저농도에서 고신뢰도로 정량 검출하는 기술을 개발할 예정”이라고 밝혔다.
이번 연구성과는 나노분야의 세계적 전문학술지인 나노스케일 11월 표지 논문으로 게재됐다.
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