[신경과학 저널클럽]뇌에 주는 전기 자극…‘신약 개발’ 신세계 가능성 키워

수술을 통해 뇌 깊숙이 전극을 삽입하고 전기 자극을 주어 뇌 질환을 치료하는 ‘심부 뇌 자극술’은 파킨슨병을 비롯해 우울증과 강박장애 등의 치료에 활용되고 있다.
최근에는 이를 대뇌피질에 적용해 치매와 같은 인지장애를 개선하려는 연구도 활발하다.
영화에서는 뇌 자극 수술을 받은 사람이 기억을 잃거나 인격이 변하는 장면이 종종 등장하지만, 이는 주로 수십년 전의 상황을 바탕으로 한 설정이다. 그동안의 연구를 통해 심부 뇌 자극술은 임상에서 안전하게 활용되는 치료법으로 자리 잡았다.
그런데 심부 뇌 자극술이 뇌에 정확히 어떤 변화를 일으키는지는 아직 충분히 밝혀지지 않았다. 다만 전기 자극이 신경세포의 전기적 활동이나 신경세포 사이의 연결 부위인 시냅스에 영향을 줄 것이라는 예상이 있고, 실제로 그런 내용을 담은 연구 결과도 있다.
하지만 전기 자극이 뇌를 구성하는 세포의 생물학적 상태를 어떻게 바꾸는지에 대해서는 알려진 것이 많지 않다. 약물치료에서는 약이 신경세포의 활동뿐 아니라 유전자 발현과 같은 분자 수준의 변화에 어떤 영향을 미치는지 연구해 치료 원리와 부작용을 이해할 수 있다. 전기 자극 치료 역시 그 효과를 제대로 이해하려면 이런 생물학적 변화까지 살펴볼 필요가 있다.
미국 텍사스대 사우스웨스턴 메디컬센터 소속의 제너비브 코놉카 교수가 이끄는 연구진은 사람의 뇌 조직을 이용해 이 문제에 접근했다.
사실 뇌는 다른 장기와 달리 연구를 위해 조직을 얻기가 매우 어렵기 때문에 사람의 뇌에서 치료 과정 중 어떤 변화가 일어나는지를 직접 연구하는 것도 쉽지 않다. 그런데 최근 뇌전증의 진단과 치료 등을 위해 뇌 조직을 확보해야 하는 상황에서 얻어진 조직의 전기적 활동과 분자적 변화를 분석하는 기술이 크게 발전하고 있다.
연구진은 뇌수술을 받은 환자에게서 얻은 사람의 측두엽 피질을 얇게 잘라 배양한 뒤, 여러 개의 미세 전극이 배열된 장치를 이용해 전기 자극을 가했다. 자극 전후로 수많은 신경세포 활동을 동시에 기록하고, 이어서 개별 세포의 유전자 발현과 조절 상태까지 분석했다.
먼저 전기 자극 이후 신경세포의 활동을 살펴봤다. 자극을 받은 뇌 조직에서는 전반적으로 신경세포 활동이 증가했다. 연구진은 수㎜ 범위에 있는 많은 신경세포의 활동을 동시에 측정할 수 있는 장치를 이용해 이들의 시간적 패턴도 분석했다. 그 결과 전기 자극은 단순히 신경세포의 활동량을 늘리는 데 그치지 않고, 여러 신경세포가 서로 연결된 형태로 활동하는 패턴을 강화하는 것으로 나타났다. 전기 자극이 개별 신경세포뿐 아니라 신경세포 집단 전체의 활동에도 영향을 미친다는 뜻이다.
연구진은 여기서 한 걸음 더 나아가, 이런 변화가 일어나는 동안 세포 내부에서 어떤 분자적 변화가 나타나는지도 살펴봤다. 이를 위해 ‘단일세포 오믹스’라는 분석법을 사용했다. 신경세포는 전기신호를 주고받는 동시에, 그 활동 상태에 맞춰 유전자 발현도 변화시킨다. 전기 자극을 받은 뇌 조직에서도 신경세포의 전기적 활동 변화와 함께 유전자 발현의 변화가 나타났다.
특히 신경세포가 활성화될 때 발현돼 시냅스의 변화를 유도하는 것으로 알려진 유전자들이 두드러지게 변했다. 전기 자극으로 촉진된 신경세포들의 활동 패턴 강화에 이러한 유전자들이 관여할 가능성을 보여주는 결과다.
이번 연구는 심부 뇌 자극술이 어떻게 작동하는지 이해하는 데 중요한 단서를 제공한다. 뇌에 치료 목적으로 가하는 전기 자극은 신경세포가 원래부터 학습하고 소통하는 데 사용하던 생물학적 메커니즘을 활용하는 것으로 볼 수 있다.
더 흥미로운 점은 이번 연구에서 변화가 확인된 일부 유전자가 이미 신약 개발의 표적으로 연구되고 있다는 것이다. 앞으로 뇌의 특정 신경회로와 유전자 작용을 정밀하게 조절하는 약물을 개발한다면 전기 자극 치료와 유사한 효과를 약물로 구현할 가능성도 생각해 볼 수 있다. 전기를 이용해 뇌를 치료하는 시대를 넘어, 뇌가 작동하는 원리를 약물로 재현하는 시대가 올 수 있을지 주목된다.
지난 14일 에스토니아의 탈린공대(Taltech)에 자리잡은 스타트업 ‘ÄIO’의 연구실. 연구진이 내온 초콜릿은 부드러운 식감과 달고 씁쓸한 맛 모두 영락없는 일반 초콜릿이었다. 평범해 보이는 이 초콜릿의 주재료는 나무 톱밥이다. 톱밥을 분해해 얻은 당을 특정 효모와 발효해 추출한 지방으로 만들었다. ‘발효 지방(FERM-OIL)’ 기술로 가공식품 등에 쓰이는 팜유를 대체한 것이다.
마리-리스 퀴트 ÄIO 최고혁신책임자(CIO)는 “목재가 아니더라도 탄소를 포함한다면 지방의 원료가 될 수 있다”며 “부산물을 고부가가치화하면서 공급망과 기후에도 의존하지 않고 식량안보도 강화할 수 있다”고 말했다.
북유럽 국가 에스토니아는 높은 원자재 수입 의존도, 주변국과의 가격 경쟁, 식량안보 등 농식품 산업에서 한국과 비슷한 과제를 안고 있지만 해법은 사뭇 달랐다. 기술로 한정된 식량자원의 가치를 높이고 수입 원료는 첨단 푸드테크로 대체했다. 경향신문은 지난 14일~17일 에스토니아 식품기업과 푸드테크 현장을 찾아 전략을 들여다봤다.
북유럽 발트해 연안에 위치한 에스토니아는 면적이 남한의 45%, 인구는 수원시 수준에 그치는 작은 나라다. 농경지 4곳 중 1곳이 유기농지일 정도로 손꼽히는 청정한 자연환경을 갖췄지만, 제한적인 생산 기반으로 상당수 식품과 원재료를 수입한다. 러시아와 국경을 맞대 식량안보 우려도 크다.
에스토니아는 이런 한계를 극복하기 위해 농식품·임업 부산물이나 농산물을 새로운 식품 원료로 바꾸는 푸드테크에 공을 들이고 있다.
지난달 17일 찾은 식품 연구개발 업체 ‘TFTAK’의 연구개발 책임자 시를리 로센발드 박사는 연어 대체육을 선보였다. 이곳은 작물과 식용 균류로 대체 단백질을 개발하고 있었다.
TFTAK가 만든 연어 대체육은 특유의 향과 맛, 식감 모두 연어 스테이크와 큰 차이가 없었다. 원료는 완두콩이다. 완두에서 단백질을 뽑아 고온·고압으로 압출해 조직을 만들고 겹겹이 쌓아 연어의 식감을 구현했다. 오메가3 등 영양성분도 동일하다.
목표 소비자가격은 1kg당 12.5유로(약 1만9300원)로 20유로 수준인 시중 연어 필레 가격보다 40%가량 저렴하다. 식용 균을 발효·배양해 만든 대체육과 실제 육류에 대체육을 섞어 만드는 ‘하이브리드 대체육’도 개발하고 있다.
에스토니아 기업들이 푸드테크를 고민하는 배경엔 공급망 불안 문제가 깔려있다. 러·우 전쟁 이후 에너지·사료 등 생산비가 오르면서 에스토니아 현지 육류 가격은 빠르게 올랐다. 대체 단백질은 귀리 등 현지 조달 원료로 만드는 만큼 공급망과 무관하게 일정한 생산과 가격을 유지할 수 있다.
로센발드 박사는 “항구가 폐쇄되거나 공급망에 차질이 발생한다면 육류 생산에도 문제가 생길 수 있다”며 “만약 고기 가격이 1kg에 30유로까지 올라간 뒤에야 대안을 고민하기 시작한다면 너무 늦다”고 말했다.
기후변화에 대응할 수 있다는 점도 장점이었다. 마리-리스 퀴트 ÄIO CIO는 “기존 지방 생산에는 상당한 농지와 물이 필요하고 기후변화에도 노출된다”며 “발효 방식은 계절이나 날씨, 지리적 조건에 덜 좌우되고 농지와 수자원에 가해지는 부담도 줄일 수 있다”고 말했다.
정부도 푸드테크 양성을 지원한다. 에스토니아 기업청(EIS)은 기업과 대학·연구기관의 공동 기술개발을 지원하고, ÄIO와 TFTAK의 연구에도 응용연구 프로그램을 통해 194만유로를 지원한다.
마리-리스 퀴파르 EIS 이사는 “정부가 재정지원을 통해 기업과 대학의 협력을 지원하고, 이를 통해 새로운 기술과 제품을 개발할 수 있도록 하고 있다”고 말했다.
농업에서도 기술로 비용을 줄이고 생산성을 높인다. 헨드릭 요하네스 테라스 지역농업부 장관은 “에스토니아는 디지털화 수준이 높아 농업에 투입되는 자원의 양을 줄이는 것을 목표로 ‘정밀 농업’을 적극 활용하고 있다”고 말했다.
농지 데이터를 분석해 농지 전체에 비료를 살포하는 대신 필요한 구역에만 투입해 비싼 질소 비료 사용량을 줄이는 구조다. 가축분뇨를 활용해 바이오가스를 생산하고, 남은 부산물은 비료로 사용하는 바이오가스 플랜트도 적극 확충하고 있다.
일반 식품기업의 전략도 ‘고부가가치’로 향한다.
식품회사 Salvest는 에스토니아산 농산물을 앞세운 유기농 유아식과 성인용 건강 스무디 등 고부가치 제품에 주력하고 있다. 원재료의 품질을 높이되, 유아식은 기성 제품과 달리 여러 원료를 조합한 복합 제품으로, 스무디는 기성 제품과 다른 독특한 질감과 원료를 더해 차별화했다.
야누스 알 Salvest 최고경영자(CEO)는 “대량생산하면서 낮은 가격으로 판매하는 스페인 기업들과 경쟁하려는 것이 아니다”며 “유기농이면서 특별한 제품을 만드는 것이 중요하다”고 말했다.
퀴파르 이사는 “에스토니아는 워낙 작은 나라이기 때문에 생산량이나 최저 가격으로 경쟁하는 것은 사실상 불가능하다”며 “선택할 수 있는 경쟁력은 결국 특화된 프리미엄 제품에 집중하는 것”이라고 말했다.
서울시가 안전이 우려되는 시민에게 지급하는 휴대용 안심벨의 디자인과 기능을 개선해 ‘동행안심벨(사진)’로 재출시했다고 27일 밝혔다. 동행안심벨 사전신청은 28일부터 받는다.
시는 기존 ‘안심헬프미’를 ‘동행안심벨’로 개선하면서 그립톡·키링 겸용으로 사용할 수 있도록 디자인을 변경했다. 실리콘 커버를 제거해 제품 크기와 무게를 줄였고, 휴대폰에 부착할 수 있어 휴대성을 높였다.
기능도 ‘연동형’과 ‘비연동형’으로 세분화했다. 연동형은 ‘서울 안심이 앱(애플리케이션)’과 연동돼 경고음이 울리는 동시에 자치구 폐쇄회로(CC)TV 관제센터에 긴급 신고가 접수된다. ‘비연동형’은 어르신·장애인 등 디지털 기기와 연동해 사용하기 어려운 시민을 위해 긴급 신고 접수 없이 경고음 중심의 기능만 제공한다. 주변에 위급상황을 신속하게 알릴 수 있도록 경고음 크기도 100㏈에서 120㏈로 강화했다.
시는 이번에 연동형 4만5000개, 비연동형 1만개를 배부할 예정이다.
동행안심벨은 서울시 거주자뿐만 아니라 서울 소재 직장 또는 학교에 소속된 사람도 신청할 수 있다. 청소년·1인 가구·여성·장애인을 우선 지원한다. 28일 오전 10시부터 서울시 탄생육아 몽땅정보통 누리집에서 신청하면 된다.
시는 시민 수요를 반영해 서울경찰청, 교육청, 시 유관부서, 자치구 등과 협력해 특별공급도 병행하고 있다. 특별공급 대상은 범죄피해자 또는 범죄피해 우려자, 요양보호사, 방문간호사, 민간 순찰대 등 안전취약자다.
시는 2024년부터 동행안심벨(구 안심헬프미) 지원을 시작해 현재까지 약 15만개를 보급했다. 이 기간 중 약 2900건의 긴급신고가 접수됐으며, 이 중 54건은 경찰이 출동해서 현장 조치했다.
마채숙 서울시 여성가족실장은 “이용자들의 목소리를 반영해서 디자인과 기능을 모두 업그레이드했으니 많은 시민들의 관심과 신청을 바란다”며 “서울시는 시민이 안전한 도시를 위해 다양한 서비스를 확대하는 등 더욱 노력하겠다”고 말했다.

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