□  GIST(광주과학기술원, 총장 문승현) 신소재공학부 윤명한 교수팀은 경희대학교 응용화학과 강경태 교수, KAIST(한국과학기술원) 화학과 최인성 교수팀과 함께 나노 기둥 기판위 신경세포의 신경돌기 발달 과속화 원리를 규명하였다.

  ∘ 이로써 신경세포가 표면지형을 인지하는 원리를 새롭게 제시하였고, 향후 신경세포의 발달조절을 통한 나노기술의 의공학적 응용가능성을 높일 것으로 기대된다.

□  신경세포의 발달 과속화는 표면의 물리․화학적 인자에 따라 신경돌기의 발달이 다르게 일어나는 가운데 생성 및 성장이 매우 급격하게 일어나는 현상으로 신경세포의 성장 제어에 있어서 필수적인 현상이며, 화학적 인자에 대한 연구에 비하여 물리적 인자에 대한 영향은 거의 알려지지 않았다.

∘ 신경세포의 성장을 제어할 수 있게 되면 신경재생 및 신경보철 등의 플랫폼으로 응용할 수 있어 화학 및 전자공학 등 여러 분야에서 신경세포와 인공표면 간의 인터페이스에 대한 융합연구가 현재 매우 활발하게 진행되고 있다.

□   GIST와 경희대, KAIST의 공동연구팀은 수직형 나노기둥 구조의 높이 및 밀도를 조절하여 수직형 나노기둥에 의한 신경세포의 발달과 신경돌기의 성장 가속화를 유도하고 그 원인을 규명하였다.

∘ 본 연구에서 사용된 나노기둥은 지형적 특징을 독립적으로 조절할 수 있으며, 세포배양 적합성이 탁월하여 연구팀은 2015년부터 2017년에 걸쳐 여러 편의 논문을 통해 줄기세포를 포함한 세포-나노재료 인터페이스로 쓰기에 적합한 플랫폼임을 확인한 바 있다.

∘ 연구팀은 금속을 촉매로 한 화학적 식각(etching)을 통해 나노기둥 구조체의 길이 및 밀도를 조절, 중추신경조직인 해마에서 추출한 신경세포의 신경돌기 성장 및 발달의 가속화를 유도하였으며 가속화의 원인이 나노기둥과 신경돌기의 강한 결합으로 인한 것임을 증명하였다.

∘ 이 나노기둥 기판에서 배양된 중추 신경세포의 세포 생존능을 분석한 결과 대조군 대비 약 100%의 매우 높은 세포생존능을 나타냈으며, 배양 1일차에 형성된 신경돌기의 길이가 90μm 로 대조군(50μm) 대비 1.8개 더 길게 성장되었다.

∘ 또한 나노기둥 위에서 배양된 신경세포는 대조군 대비 작은 성장원추(growth cone)를 가졌으며, 성장원추내의 초점접착역(focal adhesion) 단백질의 발현이 대조군 대비 2배 증가한 것을 확인하였다.

∘ 아울러 각기 높이가 다른 나노 기둥에서의 신경세포 배양 결과, 신경돌기의 발달 단계는 나노기둥의 유무에 따라 크게 바뀜에 반해 그 성장속도는 나노기둥의 높이가 300nm에서 1300nm로 높아짐에 비례하여 증가하며, 세포가 나노기둥에 완전히 지지될 경우 그 속도가 일정해짐을 확인했다.

□   윤명한 교수는 “중추 신경세포의 성장 제어기술은 종래의 조직 재생의 난제로 존재하는 신경돌기 재생의 실마리를 찾을 수 있어 최근 재생의학 분야에서 가장 관심이 큰 주제라며 이번에 증명된 중추 신경세포의 가속화 현상은 화학적 인자의 도움 없이 지형학적 인자로도 신경돌기 성장의 가속화를 일으킬 수 있어 추후 신경보철 등의 신경재생 플랫폼의 설계에 응용할 수 있을 것으로 기대된다.”고 말했다.

□   이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 신진연구자지원사업, 미래유망 융합기술 파이오니아사업, 창의연구지원사업 및 광주과학기술원의 재원인 GRI(GIST연구원) 사업의 지원을 받아 수행됐으며 논문은 나노기술 분야 권위지인 나노리서치(Nanoscale Research) 2017년 10월 10일(화) 온라인 판에 게재됐다. <끝>

※ 논문 제목 : Strong Contact Coupling of Neuronal Growth Cones with Height-Controlled Vertical Silicon Nanocolumns        - 대표교신저자 : GIST 윤명한 교수(신소재공학부)        - 공동교신저자 : 경희대 강경태 교수(응용화학과), KAIST 최인성 교수(화학과)      - 1저자 : 김성민 박사과정생(신소재공학부)