고려대학교 의과대학 의과학과 조일주 교수 연구팀(제 1저자 채의규 박사, 교신저자 조일주 교수)이 여러 종류의 신경전달물질을 실시간으로 동시에 측정할 수 있는 브레인칩을 최초로 개발하는 데 성공했다.

신경전달물질은 우리 뇌가 동작하는 데에 중요한 역할을 하고 있어, 신경전달물질의 농도가 낮거나 높으면 뇌의 동작에 이상을 일으켜 다양한 뇌질환이 발생한다고 알려져 있다. 세로토닌 농도가 낮으면 우울증 증상이 나타나거나, 뇌의 특정 영역에서 도파민 농도가 높거나 낮으면 파킨슨병, 조현병 등이 발병한다는 것이다.

이러한 뇌질환을 치료하기 위해서는 신경전달 물질의 농도를 정상범위로 만들어주어야 하며, 따라서 신경전달물질은 뇌질환 치료제로도 사용된다. 다양한 뇌질환의 원인 규명 및 치료제 개발을 위해서는 뇌의 특정 영역에서 신경전달물질을 정밀하게 측정할 수 있어야 하지만, 기존에는 실시간으로 정밀하게 측정하기 어려웠고, 특히 다양한 신경전달물질을 동시에 측정할 수 없어 여러 신경전달 물질 간의 상관관계를 밝히는 연구가 불가능했다.

뇌 신호와 신경화학물질 측정이 동시에 가능한 다목적 브레인칩의 구성 및 완성품

조일주 교수 연구팀이 이번에 개발한 브레인칩은 뇌의 특정 영역에 삽입되어 신경전달물질뿐만 아니라 동시에 뇌신호 측정도 가능하다. 브레인칩에는 마이크로 유체관이 형성되어 있어 뇌척수액을 추출하게 되고, 추출된 뇌척수액은 브레인칩에 집적된 센서 어레이로 이동하여, 여기에 포함된 다양한 신경전달물질을 실시간으로 측정할 수 있다. 제작된 브레인칩은 기존의 뇌척수액 추출용 탐침보다 약 8배 정도 작은 0.1mm 크기로 제작되어, 뇌에 삽입될 때 조직손상을 크게 줄일 수 있다. 

뇌 신호 및 신경화학물질 동시 측정 다목적 브레인칩 개략도 및 칩 동작 원리에 관한 이해도

또한, 브레인 칩을 이용해 조현병과 관련된 뇌 영역인 전전두엽과 시상 영역 사이의 신경회로가 흥분성 글루탐산성 신경세포들을 통해 연결되어 있다는 것을 생쥐 실험을 통해 성공적으로 입증했다. 전전두엽을 자극할 때, 시상 영역에 있는 글루탐산의 농도 증가를 측정하였으며, 글루탐산성 신경세포들의 활성에 따른 신경신호 변화도 동시에 관찰할 수 있었다. 

연구책임자 조일주 교수는 “이번에 개발한 브레인 칩은 복잡한 다중 뇌 영역에서 뇌 신호와 다양한 신경화학물질을 실시간으로 측정하고 분석하는 최초의 시스템이다”며, “뇌 질환과 관련된 신경전달 물질을 규명하고, 치료제를 개발하는 과정에서 매우 유용한 도구가 될 것으로 기대된다”라고 소감을 밝혔다.

김은영·이겨라 가톨릭대 서울성모병원 중환자외상외과 교수팀 (왼쪽부터)

악성종양(암), 말기콩팥병 등 중증 질환으로 복부 수술을 받은 환자는 수술 후 감염성 합병증에 주의해야한다. 특히 전신에 심각한 염증 반응을 일으키는 패혈증으로 진행되면 치사율이 30~50%로 이어질 수 있어 정확한 진단이 중요하다. 

복부 감염으로 수술 후 중환자실에 입원하고, 패혈증으로 진단받은 환자를 분석한 결과, 2차 배양 패혈증 검사 결과가 음성이라도, 임상적으로 악화될 수 있어 주의가 필요하다는 연구결과가 국제학술지에 발표됐다. 

김은영(교신저자)·이겨라(제1저자) 가톨릭대 서울성모병원 중환자외상외과 교수팀은 수술 후 패혈증 환자의 2차 배양 결과에 따른 임상 자료와 이를 바탕으로 복부 수술 후 2차 배양 음성 패혈증의 예측 인자를 파악하고자 했다.

패혈증을 진단하기 위해서는 환자의 혈액이나 상처 부위 분비물을 채취하는 배양 검사를 진행하는데, 그 동안 2차 배양 연구의 임상적 중요성은 1차 연구에 비해 많이 부족했다. 

복부 감염으로 수술 후 중환자실에 입원하고 수술 후 패혈증으로 진단받은 환자를 포함했다. 배양 검사는 체액과 모든 배액관에서 시행했다. 1차 배양 검사는 수술 직후, 2차 배양검사는 수술 후 48시간에서 7일 이내에 시행했다.

대상자를 배양 양성 여부에 따라서 배양 양성 패혈증군과 배양 음성 패혈증군으로 구분해 임상적 결과를 비교했다. 또한 수술 후 2차 배양 음성 패혈증의 소인 인자를 결정했다. 임상 결과에서 중환자실 내 및 병원 내 사망률은 그룹 간에 차이가 없었다. 

패혈증으로 진행된 83명의 대상자 중 38.6%인 32명의 환자가 2차 배양 음성을 보였다. 패혈증 2차 배양 검사에서 음성이 나올 확률이 더 높은지 확인하기 위해 다변량 로지스틱 회귀 분석을 시행했다.

그 결과 장 수술이 아닌 환자는 6.934배, 당뇨병이 없는 환자는 4.027배, 수술 전 항생제를 3일 이상 장기간 투여한 환자는 1.187배 2차 배양 패혈증 검사에서 상대적으로 음성으로 잘 진단되는 것을 확인했다. 

김은영 교수는 “복부 수술 후 감염성 패혈증은 성공적인 수술에도 사망으로 이어질 수 있어 적절한 항생제 치료 등 빠르고 적절한 치료가 필수이므로, 환자가 장 수술이 아닌 수술을 받은 경우, 당뇨병이 없는 경우, 수술 전 항생제를 3일 이상 투여한 경우에는 패혈증 배양 검사 결과가 음성이라도 신체에 염증반응이 계속 진행되고 있는지 주의 깊게 살펴봐야 한다”고 강조했다. 

이겨라 교수는 “수술 후 패혈증 환자에서 2차 배양 양성 여부에 따른 사망률은 유의한 차이를 보이지 않았기 때문에, 배양 검사 결과가 음성이더라도 임상적 악화 가능성을 고려해야한다”고 연구의 의미를 설명했다.