암, 심장질환, 뇌질환은 흔히 한국인의 3대 질병으로 지목된다. 급성심근경색이나 뇌졸중, 뇌출혈 등으로 갑자기 쓰러져 응급실로 실려 가는 모습은 보험사 광고는 물론 영화나 TV 드라마에서도 종종 볼 수 있다. 이 질병들은 우리 몸의 혈관이 탄력을 잃거나 좁아지는 등 심뇌혈관계의 이상 때문에 주로 발병한다. 그렇다면, 우리 몸 속 혈관의 건강은 어떻게 유지될까?

우리 몸에서는 일산화질소(nitric oxide, NO)와 일산화탄소(carbon monoxide, CO)가 혈관의 청소부 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 두 기체는 혈관을 확장하는 역할을 주로 수행하고, 신경 전달과 면역반응에도 관여하는 생체 내 신호전달물질이다. 우리 몸에서 NO와 CO가 제대로 생성되고 작용하지 않는다면, 신경계나 혈관계에 이상이 생겨 뇌졸중, 간질과 같은 뇌질환이 발생할 수 있는 것이다.

그런데, 학계에서는 이렇게 신경계와 혈관계에 핵심적인 NO/CO 기체를 연구하는 데 어려움을 겪어 왔다. 두 기체의 성질이 매우 흡사하기 때문이다. 생물학적인 기능뿐 아니라 화학적 성질까지 유사해, 두 기체를 각각 분리해 측정할 방법을 찾기 어려웠다. 따라서 연구자들은 두 기체의 체내 역할과 작용에 복잡한 연결 고리가 있을 것으로 추정하고 있을 뿐, 그 정확한 관계는 아직 밝혀내지 못하고 있다.

이런 가운데, IBS 뇌과학 이미징 연구단이 NO와 CO를 정확히 분리해 측정할 수 있는 초소형 센서 개발에 성공, 수수께끼였던 두 기체의 연결고리를 밝힐 단초를 마련했다. 기존 센서에 비해 높은 정확도와 빠른 측정 속도가 강점인 이 새로운 센서는 크기도 초소형화돼 생체 내 삽입이 용이하다. 이에 간질 등 뇌신경질환에서 NO와 CO가 관여하는 신경계와 혈관계의 상호작용을 파악해 치료법을 찾을 가능성이 열릴 전망이다.

연구진은 전극 표면의 금속과 코팅막의 종류에 따라 측정 대상 물질의 산화 반응 패턴이 달라지는 것에 착안했다. 백금 전극 표면에 NO센서에는 검은 색을 띠는 백금흑을, CO센서에는 금을 도금하고, 불소계 겔 성분의 코팅막을 입혀, NO와 CO를 독립적으로 신속하게 측정할 수 있도록 만들었다.

연구진은 새 센서를 살아있는 쥐의 뇌세포에 직접 삽입, 자극을 통해 간질 발작을 일으키고 NO와 CO의 농도 변화를 실시간으로 확인하는 실험을 진행했다. 실험 결과, 간질 발작으로 인한 뇌파의 변화와 NO/CO 농도의 변화 패턴이 일치함이 확인됐다. 간질 발작을 일으키는 자극이 주어지자 순간적으로 두 기체가 다량으로 방출되었다가 다시 낮은 농도로 회복되었다. 이는 간질 발작에 대해 대응하고자 NO와 CO가 방출되어, 혈관을 확장해 뇌 신경세포로의 산소 공급량이 증가한 것으로 해석할 수 있다. 즉 NO와 CO기체가 뇌 신경세포의 활성과 밀접한 관련이 있음이 확인된 것이다.

연구진은 “이번 연구는 그동안 NO와 CO의 관계를 알고 싶어도 유사한 성질 때문에 분리하기 어려웠던 한계를 극복하고 독립적인 측정을 해낸 데 그 의의가 있다”며, “이번에 새롭게 개발한 기체 측정 센서가 간질 등 뇌신경 및 혈관계 질환 연구의 폭을 넓히는데 기여하길 바란다”고 밝혔다.

이번 연구결과는 분석화학 분야 세계적 학술지인 분석화학(Analytical Chemistry, IF=5.636) 온라인판 2월 8일자에 게재되었다.

▲ 일산화질소/일산화탄소 센서 제작 과정

▲ (좌) 쥐의 대뇌 피질에 센서를 위치시킨 모식도 / (우) 뇌파 변화와 일산화질소, 일산화탄소의 농도 변화 그래프

(논문제목) Insertable Fast-Response Amperometric NO/CO Dual Microsensor: Study of Neurovascular Coupling During Acutely Induced Seizures of Rat Brain Cortex
(제1저자) 하예진, 이화여자대학교 화학·나노과학과 박사과정
(교신저자) 서민아, IBS 뇌과학 이미징 연구단 연구위원
(교신저자) 이영미, IBS 뇌과학 이미징 연구단 연구위원

대외협력실 김주연