척수의 신경 세포 재생 및 손상 모니터링을 위한 이식형 신경소자

Abstract

중추신경계(CNS)에 속하는 척수 신경이 손상을 받으면 감각 및 운동 기능의 영구적 손실이 발생하기 때문에, 척수의 기능 회복을 위한 많은 연구가 수행되었다. 생체적합성 스캐폴드 및 재생을 돕는 약물을 이용한 다양한 연구가 수행되었고, 동물 모델을 통해서 상당히 긍정적인 재생효과를 확인하였지만, 아직까지는 그 효과에 한계가 있다. 그 대안으로써 인공 보철 장치의 신경 인터페이스 소자의 개념이 제안되어 연구되어 왔으나, 여전히 손상된 척수로부터의 신경 신호 획득은 어려운 문제이다. 본 연구에서는, 재생적인 방법을 이용하여 손상된 척수 신경으로부터 신경 신호를 직접적으로 획득할 수 있는 이식형 신경 소자를 제안하였다. 신호 획득 시에 염증 반응에 의해 발생할 수 있는 부정적인 효과를 억제하기 위해, 근래에 들어 점차 항염증 효과가 밝혀지고 있는 그렐린(ghrelin)을 수화젤 스캐폴드를 통해 신경소자에 적용하였다. 10nM 농도의 아가로즈(agarose) 스캐폴드를 전임상 이식 실험을 통해 이식하여 재생 효과를 확인해 본 결과 렛(rat)의 운동 기능에 통계학적으로 의미 있는 회복을 확인할 수 있었다. 추가로, 척수의 손상 수준을 모니터링할 수 있는 이식형 신경 센서를 제안하였다. 제안한 센서는 신경 교상흔의 주요 물질로써 신경의 재생을 억제하는 것으로 보고된 CSPG (chondroitin sulfate proteoglycan)의 양을 측정할 수 있다. 제안한 센서의 가능성을 확인하기 위하여 1~20μg/ml 농도 범위의 CSPG의 양을 센서로 측정해 보았다. 그 결과 신경의 성장을 억제하는 수준인 10μg/ml 농도의 CSPG를 충분히 측정할 수 있음을 확인할 수 있었다. 여섯 개의 시브형 신경 전극을 가진 폴리이미드에 기반한 연성 신경 소자를 MEMS 공정을 통해서 제작하였다. 제작한 소자의 전기화학적 임피던스를 삼전극법을 이용하여 측정하였으며, 1kHz에서 17.9kΩ의 낮은 임피던스 값을 얻어 신경 신호의 측정에 문제가 없음을 확인하였다. 소자의 모든 전극은 살아 움직이는 쥐의 몸에 단단히 고정할 수 있도록 특별히 고안된 인터페이스 보드에 연결되어, 연성 기판 커넥터를 통해 외부로 연결되도록 하였다. 소자가 이식된 쥐는 통상적인 후관리를 받았으며 1개월 이상 생존하였다. 신경 신호 측정을 위한 전임상 실험을 수행하였다. 렛을 마취한 후 이식한 신경 소자의 인터페이스보드에 신호 측정 장비의 커넥터를 연결하였다. 부드러운 솔을 이용하여 쥐의 하부 다리를 자극함으로써 강제작인 신경 신호를 형성하였고, 이 방법을 통해 200~400μV 크기의 신경 신호를 획득할 수 있었다. 주파수 영역의 분석에 따르면, 피크 주파수의 범위는 500Hz에서 1kHz의 범위에서 나타났으며, 자극에 의한 신경 신호임을 확인할 수 있었다. 본 연구를 통해 제안한 신경 소자는 추후 척수 손상 장애인을 위한 인공 보철의 신경 인터페이스로 활용 가능할 것으로 기대 된다.