사진설명논문 1: 알츠하이머병의 주요 질병인자(Biomarker)의 모식도
논문 2: 알츠하이머병의 주요 질병인자 중 아밀로이드-베타 응집체를 선택적으로 감지하는 분자시스템을 이용한 생체 영상화 결과. 밝게 표시되는 부분이 뇌 속에 존재하는 알츠하이머병의 질병인자의 위치.

알츠하이머병(Alzheimer’s Disease)은 치매 환자의 75%가 앓는 가장 흔한 형태의 치매질환이다. 불치병으로 시간이 지날수록 증상이 심해져 결국은 죽음에 이른다. 발병 원인도 명확하지 않다. 아밀로이드 베타(Aβ) 단백질이 뇌에 쌓여 발병한다는 주장과 유전적 요인의 영향을 받는다는 정도가 알려져 있다.

향후 알츠하이머병 진단과 치료에 새로운 방향성 제시
경희대학교 의과대학 김도경 교수는 지난 10여년간 알츠하이머병 관련 연구를 진행해왔다. 지난 2015년에는 아밀로이드 베타 단백질 응집체에 매우 민감하게 반응하는 형광 생체 영상화 시스템을 개발해 큰 관심을 받기도 했다.

김도경 교수 연구팀이 최근 알츠하이머병의 새로운 질병인자(바이오마커)를 찾고 주된 발병 원인이었던 아밀로이드 베타 단백질 플라크만을 선택적으로 영상화하는 새로운 분자 촬영 기법을 개발했다.

두 연구 중 새로운 질병인자와 관련된 연구는 ‘형광 저분자 알츠하이머병 바이오마커 연구의 최신 동향(Frontiers in probing Alzheimer’s Disease biomarkers with fluorescent small-molecules)’라는 논문으로 미국화학회 학회지 <에이씨에스 센트럴 사이언스(ACS Central Science, IF=11.228)>에 게재됐고, 형광 생체 영상화 시스템 개발 연구는 ‘생체 영상화 시 배경 형광을 최소화해 아밀로이드 베타 플라크만을 선택적으로 영상화하는 새로운 분자의 회전 활용 방법(Harnessing intramolecular rotation to enhance two-photo imaging of Ab plaques through minimizing background fluorescence)’라는 연구로 독일 학술지 <앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition, IF=12.102)>에 게재됐다.

일반적으로 알츠하이머병 진단은 아밀로이드 베타 단백질 응집체(Aβ Protein Plaque) 또는 타우 응집체(Tau Tangle)와 같은 질병인자를 감지하는 방향으로 진행된다. 이를 위해 질병인자를 감지하는 분자 시스템과 질병인자의 생체 영상화 구현 기술은 알츠하이머병 진단에 중요한 요소이다.

김도경 교수는 “주요 질병인자인 아밀로이드 베타 단백질 외에도 중금속 이온(구리, 아연, 철 등), 감마 아미노낙산(gamma-aminobutyric acid, GABA), 모노아민 옥시데이즈(Monoamine Oxidase) 등을 주목해야 한다”고 말한다.

‘분자 회전’ 활용해 생체 영상화 시스템 성능 향상
형광 생체 영상화 시스템 개발 연구는 질병인자 연구의 후속 연구로 진행했다. 김도경 교수 연구팀은 선행 연구의 대상이었던 아밀로이드 베타 단백질 응집체를 표적해 생체 영상화를 할 수 있는 분자 시스템을 새롭게 발굴하고, 이 시스템을 살아있는 알츠하이머병 발병 동물 모델에서 검증했다.

아밀로이드 베타 단백질 응집체를 감지하는 분자 시스템은 일반적으로 ‘전자주개’와 ‘전자받개’의 구조이다. 이 구조의 분자는 수용액 상에서 낮은 형광 특성을 보이지만, 아밀로이드 베타 단백질 응집체와 결합하면 형광 효율이 상승하는 특성을 가진다. 하지만 수용액 상에서는 표적 이외의 작은 형광도 영상의 선명도를 저하해 검측을 방해한다. 김도경 교수는 선명한 검측을 위해 ‘분자 회전’을 활용해 수용액 상에서는 형광을 보이지 않다가, 아밀로이드 베타 단백질 응집체에 결합했을 때만 형광이 증가하도록 했다.

김도경 교수는 두 연구를 통해 알츠하이머병의 질병인자를 검증하는 분자 시스템에 대한 새로운 견해를 제시하고, 이를 실제 실험을 통해 검증했다. 향후에는 새롭게 개발된 분자 시스템을 알츠하이머병에 생체 영상화 소재로 활용하고 체외 진단 시스템으로 응용하는 연구를 진행할 계획이다.

이번 연구는 경희대 김도경 교수 연구팀과 포항공대 화학과 안교한 교수, 고려대 화학과 김종승 교수, 서울대 의과대학 묵인희 교수, 연세대 약학대학 김영수 교수 등이 참여한 다학제간 융합연구(Multi-Disciplinary Research)로 진행됐다. 김도경 교수는 “융합연구를 통해 연구의 확장성을 갖게 됐다”며 “혼자서는 생각하지 못할 부분들을 떠올릴 수 있었고, 향후 연구 방향에 대해서도 모색할 수 있었다”는 소감을 밝혔다. 이어 “각기 다른 분야에서 오는 피드백이 연구의 질을 높여주고 연구에 참여한 개개인이 본인의 연구 역량을 강화하는 원동력이 됐다”고 말했다.