초록 ▼

□ 연구 목표 및 내용
○ 최종 목표
본 연구의 최종목표는 시신경 복원의 해결을 위한 기능성 나노구조체 하이브리드 맥압 기반 자가발전 복합 전기자극 지지체 및 모니터링 통합 시스템 개발과 이를 기반으로 결손 시신경 장거리 유도 재생 매커니즘을 확립 하는데 있음. 천연재료 실크 단백질 성형을 통해 향상된 압전효과 및 물성을 활용하여 맥압기반 자가발전 시스템을 구축하고, 전기자극과 함께 외인성 신경영양인자와 과산화 억제 나노구조체를 통해 시신경 장거리 유도재생 매커니즘에 대한 연구를 진행하고자 함. 또한, 염증반응 억제 나노

□ 연구 목표 및 내용
○ 최종 목표
본 연구의 최종목표는 시신경 복원의 해결을 위한 기능성 나노구조체 하이브리드 맥압 기반 자가발전 복합 전기자극 지지체 및 모니터링 통합 시스템 개발과 이를 기반으로 결손 시신경 장거리 유도 재생 매커니즘을 확립 하는데 있음. 천연재료 실크 단백질 성형을 통해 향상된 압전효과 및 물성을 활용하여 맥압기반 자가발전 시스템을 구축하고, 전기자극과 함께 외인성 신경영양인자와 과산화 억제 나노구조체를 통해 시신경 장거리 유도재생 매커니즘에 대한 연구를 진행하고자 함. 또한, 염증반응 억제 나노구조체 합성 및 나노지형도 조절 기술을 활용해 유연한 염증 억제 기능성 복합지지체 제조기술을 확립하고자 함. 궁극적으로 외부 물리력에 의한 시신경 손상 및 신경퇴행성 질환으로 고통받는 환자의 손상된 시각시스템 외 불가능으로 여겨진 척수 또는 기타 중추신경계 (CNS) 손상 영역에 대한 해결을 목표로 함.

○ 전체 내용
① 전기자극 및 외인성 신경영양인자를 통한 결손 시신경의 장거리 재생과 패터닝된 나노구조체를 이용한 효과적인 시신경 유도재생 매커니즘 연구
■ 전기자극 조건 및 외인성 신경영양인자 방출에 따른 시신경 장거리 재생 연구
● 다양한 시신경 주위 환경 제공에 따른 최적 조건 확립 및 시신경 축삭 재생 및 모양 변화 추적 평가
● 복합 전기자극에 의한 손상 시신경의 장거리 재생 활성화에 미치는 메커니즘 규명
■ 최적의 나노구조체 조사 및 지지체로의 응용에 따른 손상 시신경 네트워크 유도재생 연구
● 최적의 나노구조체 제조 및 시신경 유도재생 능력 평가

② 시신경 활성화 및 재생 매커니즘 파악을 위한 중추신경계 신경세포 활용 환경모사 플랫폼 제작
■ 외부환경 자극에 따른 신경세포 활성 및 재생 조사 가능한 2D in vitro platform 제조
● hippocampal neuron cell 기반의 신경네트워크 형성 및 이를 통한 분석
■ 중추신경계 미세환경 모사를 위한 3D in vitro platform 제조 및 이를 기반으로 한 ex-vivo 분석 플랫폼 제작
● 3D neural spheroid 및 microfluidics 기반의 중추신경계 미세구조 모사 플랫폼 제작 및 이를 통한 분석
● 시신경 ex-vivo/organotypic 분석 플랫폼 구축 및 이를 통한 분석

③ 천연 단백질 성형 공법기반 맥락막 부착 최적화 유연한 생체흡수형 자가발전 전기자극 지지체 및 맥압 모니터링 시스템 개발
■ 천연 단백질 성형에 따른 강화된 압전효과를 통해 배터리 없이 맥압 모니터링 가능한 체내 이식형 센서 개발
■ 압전효과 기반으로 맥압을 전기자극으로 전환하여 손상된 시신경 재생을 활성하는 초소형 지지체 제조
■ 맥압 모사 장비 개발을 통한 실 모니터링 평가 및 동물모델 내 센서 성능과의 비교평가

○ 1단계
◎ 연구 목표
① 전기자극 및 생체 내 미세환경에 따른 결손 시신경의 활성화 및 재생을 위한 매커니즘 파악이 가능한 중추신경계 신경세포 기반 미세환경모사 플랫폼의 제작
② 2D neural network 플랫폼을 활용한 전기자극에 따른 신경세포의 활성화와 재생 평가 및 이를 통한 매커니즘 파악
③ 유연한 얇은 박막 형태의 압전성 천연단백질 기반 지지체 제작과 이의 단백질 성형 공정을 통한 전기자극 지지체 및 맥압 모니터링 시스템으로의 활용 가능성 평가

◎ 연구 내용
① 1단계 1차년도 (2021년)
■ 전기자극에 따른 CNS NC 영향 확인
● 중추신경계 신경세포의 추출 및 이의 최적화를 위한 실험 진행
● 다른 조건의 전기자극에 따른 신경세포의 활성화 확인
■ In vitro 실험 진행을 위한 RGC 추출 관련 자료 조사
● RGC isolation 관련 추출 방법 및 이에 따른 세포 수득률 및 기타 특이점에 대한 조사 진행
■ 생분해성 자가발전 모니터링 센서 및 복합 전기자극 지지체 제조를 위한 재료 관련 자료 조사
● 다양한 압전효과를 지닌 재료 조사
● 압전효과를 지니기 위한 물질의 구조적 특징 조사

② 1단계 2차년도 (2022년)
■ 전기자극을 통한 CNS NC의 정량 및 정성적 재생 능력 확인
● 세포 자극을 위한 최소한의 전압 하에서의 frequency 변화에 따른 세포 활성도의 CCK-8 assay를 통한 평가
● 전기자극 후 세포의 morphology 관찰 및 이에 따른 세포로의 영향 평가
■ 다양한 전기자극 조건에 따른 CNS NC에서 발현되는 영양인자의 평가/CNS NC에 영향 미치는 인자 종류 및 이의 메커니즘 조사
● 활성신경세포로부터의 neurotransmitter 방출 실험
● 활성신경세포로부터의 neurotophic factor 방출 실험
■ 다양한 조건 및 방법 하에서의 RGC 추출 실험
● 고순도 RGC를 추출하기 위한 FC isolation 방법에 따른 추출실험 진행
■ 생분해성 자가발전 모니터링 센서 및 복합 전기자극 지지체 제조를 위한 재료 선정 및 평가
● 압전효과를 갖는 생분해성 물질의 선정 및 이의 평가

③ 1단계 2차년도 (2023년)
■ 2D neural network 배양기반 neural spheroid를 통한 3차원 신경 미세환경 모사 최적화
● Primary neuron cell 기반의 Neuronal spheroid 제조 최적화 및 평가
● Neuronal spheroid의 microfluidics로의 적용을 위한 gel 최적화 및 생물학적 평가
■ 모니터링 센서 및 미세 전기자극 지지체 부 제작을 위한 압전성 천연단백질 성형 및 이의 평가
● 압전성 천연단백질의 물성 및 압전효과 향상을 위한 성형 및 이를 통한 지지체 제조
● 천연단백질 기반 압전성 지지체의 물리·화학적 특성 평가
● 전기자극 지지체 및 모니터링 센서로의 활용을 위한 압전효과 기능성 평가

○ 2단계
◎ 연구 목표
① 2D neural network에서 scale-up 한 중추신경계 신경세포 기반의 Neuronal spheroid 활용 미세유체칩 및 Ex-vivo/In-vivo의 생리학·구조학적 미세환경 모사 플랫폼 최적화
② 다양한 플랫폼을 활용한 외부환경 변화에 따른 신경세포의 활성화 평가 및 이를 통한 재생 매커니즘 규명
③ 나노/마이크로 구조학적 변화에 따른 압전성능 증대화를 통한 전기자극 지지체 및 맥압모니터링 시스템의 성능 증대 및 신경의 장거리 재생 및 유도 재생 가능성 평가

◎ 연구 내용
① 2단계 1차년도-2차년도 (2024-2025년)
■ 전기자극 기반의 시신경 전기자극 지지체 효능 평가
● 모니터링 센서 및 전기자극 지지체 통합시스템 제작 최적화
● In-vitro상에서 복합 전기자극 지지체의 신경세포로의 전기자극 평가
● 3D neuronal spheorid on a chip을 통한 신경계 미세환경 구현 최적화 및 이의 활용을 통한 제조된 지지체의 생물학적 평가
■ 시신경 손상 안구를 활용한 Ex-vivo에서의 모니터링 시스템 구동 평가
● 시신경 손상 안구 모사를 위한 Ex-vivo 모델 설계
● 임상 응용 가능한 비침습적 방법으로 맥락막에 이식된 센서의 안압에 따른 구동 정확성 평가
■ 시신경압착 동물모델에서의 생물학적 평가
● 물리적 압착 및 바이러스 주입에 의한 시신경 손상 동물모델의 모델링
● 모델의 복합 전기자극 및 후처리 조건에 따른 행동분석 평가 (ex. 눈 운동반사, 대광반사. 시각절벽인지, looming response behavior analysis 등)
● 생물학적 분석기법 (ex. Bio-TEM, retina 면역염색, H&E 조직 염색, MTS 등) 및 이식된 센서의 맥압 모니터링 결과를 통한 생물학적 안정도 평가

□ 연구성과
○ 1단계(2021-2023년)
● 정성적 성과
·전기자극에 따른 CNS NC로의 영향 확인
·In vitro 실험 진행을 위한 RGC 추출 자료조사
·압전성 재료 자료조사
·전기자극을 통한 CNS NC 정량 및 정성적 재생능력 확인
·전기자극 조건에 따른 NC에서 발현되는 영양인자 평가
·NC에 영향 미치는 인자 종류 및 이의 메카니즘 조사
·RGC isolation 최적화
·모니터링 센서 및 복합 전기자극지지체의 제조를 위한 재료 선정 및 평가
·Neural spheroid 기반 3차원 신경 미세환경 모사 최적화
·모니터링 센서 및 미세 전기자극지지체 부 제작을 위한 압전성 천연단백질 성형 및 이의 평가

● 정량적 성과
·국내외 학술대회 논문발표 : 16건
·과제 관련 논문 3편 투고 준비 중

○ 2단계(2024-2025년)
● 정성적 성과
·전기자극 기반의 시신경 전기자극 지지체 최적화 및 효능 평가
·시신경 손상 안구 활용 ex-vivo에서의 평가
·시신경 압착 동물모델에서의 평가

● 정량적 성과
·학술대회 연 4건
·24년 상반기 중 준비된 3편 논문 투고 진행
·그 외 연 1편 이상 논문게재

□ 연구성과의 활용 계획 및 기대효과
① 연구성과의 활용
■ 현재까지 손상된 시신경은 재생하거나 회복할 수 없어 영구적인 시력상실을 초래하고 극복할 수 없는 문제였음. 하지만 전기자극 및 외인성 신경영양인자 제공과 과산화물 억제를 통한 시신경 재생 억제환경 극복은 시각체계에서 시신경을 재생하여 시력상실 질환 재생 치료로의 발전을 위한 큰 도전임. 또한 시신경 재생은 시신경 장애에서 마비까지 다양한 질환을 치료하고 외상성 뇌 손상 및 척수손상 등 중추신경 재활 및 치료로의 응용이 가능할 것으로 기대됨.
■ 이식 가능한 자가발전 생체흡수성 맥압 모니터링 시스템은 정확한 진단과 관리에 도움을 주고 지속적인 데이터의 축적을 통해 안압 병리 특성화를 유추할 수 있으므로 새로운 치료 플랫폼으로서 바이오 메디컬 분야의 발전 및 시장 개척이 예상됨.

② 기대효과
■ 학술적 기대효과
● 국제학술 논문게재 연간 1편 (상위 15 % 이상 1편)
⇒ 5년간 ‘5편’ 이상
● 학술대회 발표 연간 4건 (국제학술대회 1회, 국내학술대회 3회
⇒ 5년간 ‘20건’ 이상

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 요약문 ... 2
• 목차 ... 6
• 1. 연구과제의 개요 ... 7
• 1) 최종목표 ... 7
• 2) 연구목표 및 내용 ... 7
• 3) 연구의 필요성 ... 8
• 2. 연구과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 8
• 1) 연구과제 수행 과정 ... 8
• 2) 연구과제 수행 내용 ... 8
• 3. 연구과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 9
• 1) 연구수행 결과 ... 9
• 2) 목표 달성 수준 ... 14
• 3) 목표 미달 시 원인 분석 ... 15
• 4) 중요 연구변경 사항 ... 15
• 4. 연구성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 15
• 5. 연구성과의 관리 및 활용 계획 ... 15
• 1) 성과 관리 추진체계 ... 15
• 2) 연구과제의 활용 ... 16
• 6. 다음 단계 연구계획 ... 16
• 1) 연구목표 및 내용 ... 16
• 2) 연구 추진전략 ... 17
• 3) 연구 추진일정 및 기대성과 ... 17
• 4) 다음 단계 연구비 사용계획 ... 17
• 5) 연구성과의 활용방안 및 기대효과 ... 18
• 끝페이지 ... 20