초록 ▼

□ 연구 목표 및 내용
❍ 최종 목표
본 연구자는 뇌 질환 치료제 개발을 위해 영장류의 뇌회로에서 장기간 신경 신호의 측정 및 약물전달을 위한 고분자 기반의 유연한 프로브 시스템을 개발하는 것을 목표로 한다. 이 시스템은 영장류 뇌회로의 모든 영역에 손상을 최소화하며 삽입하기 위해 프로브의 삽입 부위를 강성의 제어가 가능하며 높은 종횡비(aspect ratio)의 구조로 개발하고자 한다. 이와 함께 뇌회로를 구성하는 다중 영역에 동시 삽입되어 국소 부위 약물을 전달을 통한 정신질환이 유발된 동물 모델을 개발하며, 동시에

□ 연구 목표 및 내용
❍ 최종 목표
본 연구자는 뇌 질환 치료제 개발을 위해 영장류의 뇌회로에서 장기간 신경 신호의 측정 및 약물전달을 위한 고분자 기반의 유연한 프로브 시스템을 개발하는 것을 목표로 한다. 이 시스템은 영장류 뇌회로의 모든 영역에 손상을 최소화하며 삽입하기 위해 프로브의 삽입 부위를 강성의 제어가 가능하며 높은 종횡비(aspect ratio)의 구조로 개발하고자 한다. 이와 함께 뇌회로를 구성하는 다중 영역에 동시 삽입되어 국소 부위 약물을 전달을 통한 정신질환이 유발된 동물 모델을 개발하며, 동시에 동일 모델에서 치료약물 전달 및 전기생리 신호 측정을 통해 뇌질환 기전 연구 및 치료제의 성능을 정량적으로 평가할 수 있는 시스템을 개발하고자 한다. 또한, 살아있는 기니피그나 쥐의 뇌에서 장기간 약물 전달 및 신경 신호 측정을 통해 제작된 시스템의 실효성을 검증한다. 이러한 실험을 통해서 향후 영장류를 이용한 뇌질환 치료제 개발 및 뇌 과학 연구에 광범위하게 적용하기 위한 시스템을 제시하고자 한다.

❍ 전체 내용
정신질환의 기전 및 치료제의 연구를 위해서는 질환과 관련된 뇌회로의 다중 영역에서의 신경 활동 측정을 통한 뇌회로의 분석이 필수적이다. 특히, 감정, 보상 및 사회성과 관련된 여러 전두엽 피질과 뇌 심부 영역에서 신경 신호의 측정이 필수적이며, 또한, 동물 모델에서 정신질환을 연구하기 위해서는 감정 상태나 사회성을 확인하기 위해 (2) 동물의 행동에 제약이 없어야 하며 동시에 뇌피질에서 장기간 안정적으로 신경 활동의 측정이 가능해야 한다. 하지만, 지금까지 뇌 연구에 광범위하게 쓰이고 있는 생쥐는 피질의 크기가 작고, 영장류와 기능적 차이로 인해 정신질환 연구에 사용이 어려웠다. 이로 인해 정신질환 기전의 연구 및 치료제 개발을 위해서는 인간의 뇌피질과 유사한 영장류의 사용이 필수적이다. 또한, 인간의 정신질환에 대한 깊은 이해를 위해서는 (3) 인간과 감정, 욕구 및 사회성이 가장 유사한 영장류를 이용한 정신질환 동물 모델에의 제작이 필수적이다. 이러한 영장류에서 정신질환 기전 연구 및 치료제 개발을 위해서는 정신질환 관련 뇌 회로의 여러 영역에 정밀하게 접근하여 질환 유발 약물과 치료약물을 선택적으로 주입하고 동시에 전기생리 신호를 장기간 측정할 수 있는 시스템의 개발이 요구된다. 하지만 기존의 영장류에 적용하기 위한 시스템은 대부분 강성이 큰 재료 기반이며 두께가 1~2 mm로 두꺼워 삽입 시 뇌 조직에 손상이 심하며 장기간 사용하기에 부적합하였고 국소 부위의 뇌회로에 약물 전달을 위한 시스템과의 집적이 어려웠다. 이러한 단점들을 해결하기 위해 본 연구에서는 영장류 뇌회로의 모든 영역 접근이 가능하며 삽입 시 손상을 최소화하기 위해 강성의 제어가 가능한 높은 종횡비 구조의 뉴럴 프로브를 개발한다. 또한, 영장류의 뇌회로에 연관된 뇌피질과 뇌 심부 영역에서 뇌질환유발과 치료를 위한 약물 전달과 함께 장기간 신경 신호의 측정을 위한 높은 유연성을 가지는 고분자 기반의 유연한 프로브 시스템을 개발하는 것을 목표로 한다. 이를 위해 다음의 연구를 수행할 것이다.
￭ 영장류의 뇌회로에 고분자 기반의 뉴럴 프로브를 삽입하기 위한 강성 제어 기능 집적 (2)
￭ 뇌질환유발 및 치료제 투여를 위한 약물 전달 기능 집적 (3)
￭ 뇌회로의 다중 영역에서 약물 전달과 함께 전기생리 신호 측정을 위한 프로브 어레이 개발 (3)
￭ 행동하는 동물에서 사용하기 위한 소형 패키징 시스템 구현 및 in vivo 환경에서 장기간 신호 측정 검증
￭ 뉴럴 프로브 시스템을 이용한 국소 부위 약물 전달을 통하여 뇌질환이 유발된 동물 모델 개발 가능성 검증 (1)

❍ 1단계
❏ 연구 목표
￭ 영장류의 뇌에 고분자 기반의 유연한 뉴럴 프로브를 삽입하기 위한 강성 제어 기능
▷ 강성 제어: 굽힘강성(bending stiffness) 삽입 전⇒후에 mN∙m(삽입형 프로브)⇒μN∙m(PDMS 전극 수준)
▷ 높은 유연성을 가지는 고분자 기반의 프로브 어레이 제작: 고분자 두께 5 μm 이하
▷ 프로브 크기: 단면적 400 x 200 μm² 이하/삽입부 길이 40 mm 이상
￭ 뇌질환유발 및 치료제 투여를 위한 약물전달 기능 개발
▷ 국소영역 약물 투여량 정밀 제어
▷ 리필이 가능한 소형의 약물전달 모듈 개발
￭ 뇌회로의 다중 영역에서 약물전달과 함께 전기생리신호 측정을 위한 프로브 어레이 개발
▷ 약물전달 및 신경 신호측정 기능의 in vitro/in vivo 검증
▷ 뇌질환 동물모델 제작 가능성 검증
❏ 연구 내용
❖ 1차년도 (재료 선정, 소자 설계 및 공정기술 개발)
- 고분자 기반의 유연 전극 내 강성 제어를 위한 유체채널 및 토출구 설계 및 최적화
- 모세관현상을 이용한 생분해성 물질 흡수 및 약물 전달을 위한 미세 아치 구조의 유체채널 설계 및 제작
- 아치 구조의 유체채널 위 고밀도 전극을 집적하기 위한 공정 개발
- 프로브의 강성, 생체 용해성, 점도, 생체적합성, 녹는점을 고려함 생분해성(biodegradble) 물질의 선정
❖ 2차년도 (개발된 공정을 이용한 프로브 개발 및 in vitro/in vivo 검증)
- 뉴럴 프로브의 강성 제어기술 개발 및 in vitro/in vivo 환경에서 뇌 심부 삽입 검증
- 약물 투여량 제어를 위한 챔버 및 프로브와 집적기술 개발 및 in vitro 검증
- 전기생리 신호 측정용 강성 제어 유연 프로브 시스템 제작 및 in vivo 신호 측정
❖ 3차년도 (프로브 패키징 기술 개발 및 검증, 약물 전달 기능 집적)
- 뇌회로의 다중부위 접속을 위한 프로브 어레이 집적기술 개발
- 전기신호 측정 및 약물 전달 기능이 집적된 뉴럴 프로브(single-shank) 개발
- in vivo 환경에서 뉴럴 프로브 시스템의 장기간 신경신호 기록 성능검증
- 뇌질환의 유발을 위한 약물 전달 프로토콜 개발 및 뇌질환유발 동물 모델 제작 가능성 검증

❖ 2단계
❏ 연구 목표
￭ 뇌질환유발 및 치료제 투여를 위한 다중 약물전달 기능
▷ 3가지 이상의 다중약물 전달 모듈 개발
￭ 뇌회로의 다중 영역에서 약물 전달과 함께 전기생리신호 측정을 위한 프로브 어레이 개발
▷ 2개 이상의 뇌 영역에 동시 삽입하여 독립적 다중약물 전달 및 신경 신호 측정
▷ 동물 모델에서 뇌질환유발 및 치료제 투여에 따른 질병 뇌회로의 전기생리 신호 관찰
◯ 행동하는 생쥐에 사용하기 위한 소형 패키징 시스템 구현 및 in vivo 환경에서 장기간 신호 측정 검증
▷ 행동하는 동물에 적용하기 위한 무선 소형 패키징 시스템 구현
◯ 뉴럴 프로브 시스템을 이용한 국소 부위 약물 전달을 통한 뇌질환유발 동물 모델 개발 가능성 검증
▷ 뇌질환유발을 위한 약물 투여 프로토콜 개발 및 2종류 이상의 뇌질환에서 신호 변화 확인
❏ 연구 내용
❖ 4차년도 (약물 전달 기능 집적된 초소형 무선 뉴럴 프로브 개발)
- 행동하는 동물에서 사용하기 위한 소형 무선 패키징 모듈 개발
- 전기신호 측정 기능과 약물 전달 기능이 집적된 뉴럴 프로브 어레이(multi-shank) 개발
- 뇌질환유발 동물 모델의 뇌회로에서 치료약물 투여 및 전기생리 신호의 측정
❖ 5차년도 (뉴럴 프로브 시스템의 시제품 개발 및 치료 가능성 확인)
- 영장류 뇌회로 연구용 다기능 뉴럴 프로브 시스템의 시제품 개발
- 약물에 의한 뇌질환의 유발 및 치료제 투여에 따른 효능의 전 주기적 전기생리 신호 측정

□ 연구성과
￭ 정성적 연구성과
✓ 영장류의 뇌회로에 고분자 기반의 유연한 뉴럴 프로브를 삽입하기 위한 강성 제어 기능 개발 (1단계)
✓ 뇌질환유발 및 치료제 투여를 위한 약물 전달 기능 (1단계)
✓ 뇌회로의 다중 영역에서 다중약물 전달과 함께 전기생리 신호 측정을 위한 프로브 어레이 개발 (1, 2 단계)
✓ 행동하는 생쥐에 사용하기 위한 소형 패키징 시스템 구현 및 in vivo 환경에서 장기간 신호 측정 검증 (2단계)
✓ 뉴럴 프로브 시스템을 이용한 국소 부위 약물 전달을 통한 뇌질환유발 동물 모델 개발 가능성 검증 (2단계)
✓ 개발된 시스템의 뇌 질환 전자약으로 활용 검토 (2단계)
￭ 정량적 연구성과
✓ 특허 출원 2건 (1단계) + 등록 2건, 출원 2건 (2단계)
✓ 영장류용 프로브 시제품 1건 (2단계)
✓ SCI 논문 1건 review 중 (1단계) + SCI 논문 2건 게재 (2단계)

□ 연구성과의 활용 계획 및 기대 효과
❖ 본 연구에서 제안한 고분자 기반의 뉴럴 프로브 시스템의 강성 제어기술 확보를 통해 영장류 신경 인터페이스 시장의 패러다임 전환을 제시하며 유연한 프로브 제작 분야의 중요 원천기술 확보
❖ 뉴럴 프로브를 이용한 국소 부위 뇌회로에 약물 전달을 통한 뇌질환 동물 모델 제작 및 치료제 개발기술에 대한 중요 원천기술 확보
❖ 뇌질환유발 약물 및 치료제의 정밀 주입 전주기 동안의 뇌회로의 전기적 신경 신호의 관찰을 통해 뇌질환의 기전을 규명할 수 있는 중요 데이터를 확보
❖ 국내 뇌 연구자들에게 제공하여 뇌질환 치료제의 개발뿐만 아니라 영장류에서 뇌 기능 연구 및 뇌회로의 기능적 연결성 연구와 같은 다양한 뇌 연구를 위한 시스템으로 활용

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 요약문 ... 2
• 목차 ... 6
• 1. 연구과제의 개요 ... 7
• 2. 연구과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 8
• 1) 연구개발과제의 최종목표 ... 8
• 2) 연구개발과제의 단계별 목표 ... 8
• 3. 연구과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 9
• 1) 연구 수행 결과 ... 9
• 2) 목표 달성 수준 ... 12
• 3) 중요 연구변경 사항 ... 12
• 4. 연구성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 13
• 5. 연구성과의 관리 및 활용 계획 ... 13
• 6. 다음 단계 연구계획 ... 14
• 1) 연구 목표 및 내용 ... 14
• 2) 연구 추진전략 ... 15
• 3) 연구 추진일정 및 기대성과 ... 16
• 4) 다음 단계 연구비 사용계획 ... 16
• 5) 연구성과의 활용방안 및 기대효과 ... 17
• 끝페이지 ... 36