성균관대학교(총장 유지범) 글로벌바이오메디컬공학과 김태형 교수 연구팀은 살아있는 줄기세포 유래 신경세포와 3차원 중뇌 오가노이드에서 방출되는 도파민을 세포를 파괴하지 않고 실시간으로 측정할 수 있는 전기화학 플랫폼 ‘SIDNEY’를 개발했다고 1일 밝혔다.

최근 줄기세포를 활용해 인체 장기와 유사한 조직을 구현하는 오가노이드 기술은 뇌 질환 연구와 신약 개발의 주요 모델로 활용되고 있다. 특히 도파민을 생성하는 신경세포 모델은 파킨슨병과 조현병 등 질환 연구에 필수적이지만, 기존에는 도파민 방출 여부를 확인하기 위해 세포를 파괴하거나 복잡한 화학 처리가 필요해 실시간 관찰에 한계가 있었다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 나노 기술을 적용한 새로운 전극 구조를 설계했다. SIDNEY 플랫폼은 수직 배열된 금 나노 기둥 위에 금 나노 입자를 적층하고, 표면을 그래핀으로 감싼 구조로 전기 전도성과 분자 선택성이 높은 것이 특징이다. 이를 통해 복잡한 뇌 환경에서도 도파민 신호를 선택적으로 감지할 수 있다.

실험 결과 SIDNEY 플랫폼은 실제 뇌 환경과 유사한 조건에서 7.51나노몰(nM) 수준의 미량 도파민까지 검출했다. 이는 기존 평면 전극 대비 민감도가 크게 향상된 수치다. 또 세로토닌이나 노르에피네프린 등 구조가 유사한 물질과 구분해 도파민만을 선택적으로 측정하는 데도 성공했다.

연구팀은 이 기술을 2차원 세포 모델을 넘어 3차원 중뇌 오가노이드에 적용했다. 단일 오가노이드 수준에서 세포 성숙 과정에 따라 도파민 방출량이 증가하는 양상을 실시간으로 확인했으며, 이를 통해 세포 손상 없이 오가노이드의 기능 상태를 정량적으로 평가할 수 있음을 제시했다.

김태형 교수는 “도파민 관련 신경 질환 연구에서 병태 생리를 분석하는 데 활용 가능성이 있다”고 설명했다.

이번 연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 게재됐다. 연구는 한국연구재단 나노·소재기술개발사업과 개인기초연구사업, 범부처재생의료기술개발사업 지원을 받아 수행됐다.