‘빛으로 신경 세포 조절’ 치매·파킨스병 치료의 새로운 열쇠

빛을 이용해 신경세포를 조절하고 유전적 변화를 이루는 광유전학 기술이 각광받고 있다. 광유전학 기술은 우울증·암 치료 등 다양한 치료 분야에 활용될 전망이다. 전문가들은 광유전학이 생명공학분야에 중요한 역할을 할 것으로 보고 있다. 하루가 다르게 발전하고 있는 광유전학에 대해 알아보자. 

빛으로 면역 반응 조절
  광유전학은 생체 조직 동물에게 있는 개별 신경 세포들의 활동을 조절 및 관찰하고 신경활동의 조절이 어떠한 효과를 유발하는지 실시간으로 확인할 수 있다. 광유전학은 단백질을 통해 빛의 흡수와 전달을 한다. 광단백질은 크게 작동기와 센서로 역할을 나누어 작동한다. 작동기는 신경활동을 조절한다. 센서는 총 4가지의 다른 기능을 수행한다. 신경활동을 기록하기 위한 칼슘농도의 변화 감지, 신경소포체의 분비를 감지, 신경전달물질을 감지, 세포막전위를 감지하는 역할을 한다.

‘채널로돕신’ 유전자가 핵심
  채널로돕신은 녹조류가 광합성을 할 때 주요한 역할을 하는 단백질이다. 광합성 과정에서 녹조류가 빛을 감지해 전류를 만들어내기 때문이다.
  이러한 채널로돕신의 기능은 인체에서 광유전학을 적용하기 위해서 반드시 필요하다. 인체 내부에서 정보를 전달하기 위해서는 전선 역할을 하는 뉴런을 활성화시켜야 한다.
  평소에 신경세포 내부는 음전하를 띈 음이온이 많아 음전위를 띄고 있다. 자극이 주어지거나 다른 신경세포로부터 신호를 전달받으면 세포 바깥의 양이온들이 세포 안으로 쏟아져 들어오게 된다. 이후 양이온들이 들어 왔다는 신호를 받으면 신경세포가 켜지게 된다. 이때 채널로돕신을 인체내에 이식한다면 빛을 쬐어줌으로써 채널로돕신의 통로가 열리게 된다. 열린 통로로 칼슘과 나트륨 같은 양이온이 쏟아져 들어오게 되면 빛을 쬐어주는 것만으로도 전류를 흐르게 할 수 있다. 이렇게 된다면 빛 하나만을 이용해 신경회로를 조절할 수 있게 된다.

불치병 치료의 가능성 키워
  광유전학을 사용하면 유전학적으로 분류된 특정 신경 세포들의 신경활동을 선택적으로 조절하거나 기록할 수 있게 돼 장애·질병·질환의 원활한 회복 또는 치료 효과가 기대되고 있다.
  실명회복 시술이 가장 대표적인 예다. 실명률이 높은 색소망막염은 시각세포와 망막색소상피세포가 변성되는 가장 흔한 유전성 망막질환이다. 시각세포가 손상됨에 따라 초기에 야맹증이 나타나면서 점차적으로 시야가 좁아지고 광수용체가 빛을 감지하지 못하게 돼 결국 시력을 잃게 된다. 그러나 중심 시력은 늦게까지 유지되는데, 빛을 흡수하는 단백질로 구성된 광수용체 세포가 살아있기 때문이다. 따라서 광유전학 기술을 통해 세포재생 단백질은  주입한다면 완전히 시력을 잃기 전에 치료가 가능할 것으로 보고 있다.
  우울증은 기분장애에 속하며 심각한 우울증은 자살을 야기한다. 우울증도 광유전학을 이용해 치료가 가능한 질환으로 보고 있다. 우울증은 뇌 속의 도파민·세로토닌 등 다양한 신경전달물질 양의 저하를 주원인으로 꼽을 수 있다. 약물 치료가 현재로서는 거의 유일한 처방이지만 30%의 우울증 환자는 치료가 불가능하다고 알려져 있고 뇌는 전 영역에 걸쳐서 복잡하게 연결돼 있어 우울증을 치료하기 위한 대상으로 특정 신경전달물질이나 수용체를 특정할 수 없는 것이 현실이다. 그러나 쥐를 대상으로 채널로돕신을 발현시켜 우울증이 있는 다른 쥐와 비교한 결과, 채널로돕신이 이식된 쥐가 우울증세가 대폭 감소했다.
  이러한 연구 결과를 통해 광유전학이 우울증 감소에 효과가 있는 것이 어느 정도 증명됐다. 불안장애 역시 광유전학을 통해 치료가 가능할 것이라고 보고 있다. 불안장애는 뇌의 공포와 두려움의 중추인 편도체와 관련이 있는 질환이다. 광유전학적 방법을 이용해 쥐의 편도체를 자극하는 실험을 진행한 결과가 있다. 편도체의 일부 영역에 채널로돕신을 발현시킨 후, 시냅스가 존재하는 지역에 빛을 가했더니 불안장애가 완화됐다.

대대적 투자 잇따라
  뇌 활성·행동학 연구·뇌 신경계 질환들의 핵심 기술로 각광받는 광유전학은 불과 10년이 안 되는 짧은 시간 동안 대량의 새로운 연구결과들을 쏟아냈다. 따라서 광유전학을 이용하려는 신경과학자들의 수가 증가했고, 이에 발맞춰 필요한 연구기자재를 생산하는 회사들도 증가하는 추세다.
  현재 우리나라에서는 광유도 뇌 신경세포 성장인자 수용체, 클로멜레온을 활용한 뇌 지도, 나노 구조 광 자극 제어, 액정폴리머에 구현한 GaN LED 등 광유전학에서 눈에 띄는 성과를 이루고 있다.
  앞으로 연구는 중추신경계 뿐만 아니라 말초신경계와 근육조직 같은 신경계에 광유전학을 더 많이 적용하기 위한 방향으로 나아갈 것이다. 이를 위해서 세포가 안정적으로 빛에 반응하도록 하는 유전자조작 기술이 필요하며, 광학 시스템과 뇌 지도 구축도 함께 이뤄져야 한다.