신체 내 자극과 흥분을 전달하는 세포 단위인 ‘뉴런’은 인간의 뇌와 신경계에 밀접한 관련이 있어 활발한 연구가 진행 중이다. 이를 위해 고성능 연구 도구의 적극적인 개발이 한창인데, 근래 금속 나노입자와 빛의 상호작용을 연구·적용하는 ‘플라스모닉스’* 분야가 연구자들에게 큰 관심을 받고 있다.

* 플라스모닉스(plasmonics): 금속 내의 자유전자가 집단적으로 진동하는 유사입자인 ‘플라스몬’을 연구·적용하는 분야. 금속 표면의 자유전자와 전자기장(주로 빛)의 상호작용을 다룸으로써 다양한 학문에 적용할 수 있다. 

플라스모닉스는 고감도 광학 바이오 센서 및 고해상도 이미징에 사용되는 기술로, 최근 광메카트로닉스공학과 김규정(사진) 교수 연구팀이 선행 연구논문과 참고논문 120여 편을 토대로 신경세포 적용을 위한 플라스모닉스 분야의 광범위한 연구 결과를 발표해 국제학술지에 소개했다. 뉴런 세포의 관측 및 자극에서의 플라스모닉스 기술의 활용성을 다뤘다.

뇌와 신경계에 대한 연구인 ‘신경과학’은 뉴런의 작은 분자에 대한 연구에서 인지 및 행동연구에 이르기까지 다양한 주제를 다룬다. 신경과학계에서는 뉴런과 뉴런 사이와 뉴런과 시냅스(뉴런 간 연결부위) 사이에 작용하는 신경 전달물질의 구조, 기능, 생리학적 이해 등에 대한 활발한 연구가 진행되고 있다. 세포의 자극 및 관찰을 위해서는 고해상도, 고성능 연구 방법이 요구되는데, 이 중 하나인 ‘플라스모닉스(plasmonics)’가 세계 관련 연구자들에게 주목받고 있다. 

‘플라스모닉스’는 금속 표면에서 전자기장(일반적으로 빛)과 자유전자의 상호작용을 연구하고 적용하는 연구 분야다. 일반적으로 외부환경에서 미세 플라스몬 공명* 현상을 사용하는 바이오 센서 및 미세 분자 검출 기술로 사용되며, 이 기술은 기초 생물학, 화학연구 그리고 특정 질병에 대한 진단에 이르기까지 다양하게 응용되고 있다.

* 플라스몬 공명: 검체와 섞인 금속 나노입자 표면에 특정한 파장의 빛을 비추면 흡수되거나 산란을 일으켜 금속의 유도전자가 강하게 진동하면서 열에너지를 방출하는데, 이것이 플라스몬 공명이다. 이 온도변화를 고속으로 구현해 특정 유전자를 증폭·검출할 수 있다. 예를 들어, 지난해 말 국내 연구진이 플라스모닉스 기법을 이용해 코로나19를 단 17분 만에 진단하는 기술을 개발해 화제가 되기도 했다. 검체에 플라스모닉스 금속 나노입자를 섞어 빛을 쪼여 열을 발생시킨 뒤 자석으로 금속 나노물질을 제거하면 형광의 유전물질만 남게 되는데, 그 형광세기에 따라 코로나19 진단이 가능하다.

플라스모닉스 분야에서는 특히 나노구조나 나노입자를 적용해 성능과 감도를 향상시키는 연구도 활발히 진행되고 있다. 플라스모닉스 나노구조와 나노입자를 사용해 세포의 형광 이미지에서 감도와 이미징 해상도를 향상시킬 수 있고, 세포의 특정 영역을 자극하는 나노 스케일 광학 탐침*으로도 사용 가능하다.

* 탐침: 세포와 직접 닿아 센서에 신호를 보내는 부분. 바늘 모양, 둥그런 모양 따위의 여러 가지 형태가 있다.

이번 연구에서 김규정 교수 연구팀은 신경세포 연구를 위한 플라스모닉스 기술 관련 연구논문과 참고논문 120여 편을 토대로 1) 높은 감도를 갖는 뉴런 활동 및 뉴런 관련 화학물질에 대한 플라스모닉스 센서 2) 플라스몬을 활용한 뉴런의 고해상도 이미징 기술 3) 플라스몬 나노구조와 나노 입자를 사용하는 나노 플라스모닉스 광학 신경 자극 기술에 해당 분야의 연구 단계, 활용에 대한 잠재력, 향후 해결 단계에 대해 서술했고, 플라스몬 향상을 위한 다차원 나노 구조를 뉴런의 장기 연구에 적용하기 위한 세포 배양을 통해 뉴런 세포의 생존력과 세포증식률을 확인했다.

<그림> 연구팀은 플라스몬 향상을 위해 다양한 나노 구조에서 신경 세포 배양에 대한 연구를 진행했고, 

플라스몬 나노 구조에 대한 신경 세포의 세포친화성을 확인하기 위해 각 나노 구조에서의 세포 배양 및 생존력을 분석했다.

(a) 금 박막 (b) 나노 선 구조 (c) 기둥 구조 (d) 이중 기둥 구조

이 논문은 의학·과학기술분야의 세계 최대 규모 출판사인 엘스비어(Elsvier)의 『바이오센서스 앤드 바이오일렉트로닉스(Biosensors & Bioelectronics)』 3월 8일자 온라인판에 게재됐으며, 출판을 앞두고 있다.

- 논문 제목: Plasmonic sensing, imaging, and stimulation techniques for neuron studies(뉴런 연구를 위한 플라스모닉스 감지, 이미징 및 자극 기술)

- 논문 링크: https://doi.org/10.1016/j.bios.2021.113150

김규정 교수는 이번 연구에 대해 “현재 뇌신경 병증의 원인을 이해하기 위한 연구가 증가하고 있고 병증 분석을 위한 기술로 플라스모닉스 기술을 기반으로 한 많은 연구가 진행되고 있다. 향후 플라스모닉스 기술을 통한 뉴런과 생체분자의 시험관 내 메커니즘 탐색에서 임상 응용 연구가 필요하고, 이를 위해 플라스모닉 감지, 이미징 및 신경 자극 기술의 보완 연구가 필요하다”고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구실지원사업과 중견연구자지원사업의 지원으로 수행됐으며, 광메카트로닉스공학과 김규정 교수가 교신저자, 박사과정 안희상 학생이 제1저자, 대구경북첨단의료산업진흥재단의 최종률 박사가 공동교신저자로 참여했다.

[Abstract]

Plasmonic sensing, imaging, and stimulation techniques for neuron studies

Professor Kyujung Kim's research team studied three plasmon modalities as tools to study neurons and their responses; (1) plasmonic sensing of neuronal activities and neuron-related chemicals; (2) performance-improved optical imaging of neurons using plasmonic enhancements; and (3) plasmonic neuromodulations. In addition, the research team conducted a study on the growth potential of neuron cells in nanostructures and confirmed the growth and survival of neuron cells.

This paper was online published in Biosensors and Bioelectronics (IF = 10.257, the top 1.16% rank in a category by the Journal Citation Reports (JCR)) on 8 March 2021 by professors of the Department of Cogno-Mechatronics Engineering, Seungchul Kim and Kyujung Kim, and the researcher of Daegu-Gyeongbuk Medical Innovation Foundation,Yoonhee Kim and Jong-ryul Choi. This work was supported by the Korea Research Foundation (NRF) and the Korea Health Industry Promotion Agency (KHIDI).

(2021.5.4.)