뇌종양 위치 알아내는 이것, 과연 무엇일까?
그래핀으로 뇌종양 위치 찾는 장치 발명해
뇌졸증, 간질 발작에도 도움될 가능성 존재
(사진 출처: repsol)
[객원 에디터 8기/ 이승원 기자] 강철보다 200배 강하지만 원자 1개 두께인 그래핀으로 만들어진 우표 크기의 칩으로 뇌종양을 제거하는 수술법이 임상실험을 앞두고 있다. 해당 칩은 건강한 신경조직과 암세포의 전기 방출 차이를 통해 암세포를 정확하게 잡아낼 수 있다.
영국 가디언에 따르면, 영국 맨체스터대학교 연구진을 중심으로 한 공동 연구진은 암세포와 건강한 세포를 구별하기 위해 만들어진 그래핀 기반 전자 칩 기기의 임상실험을 실시할 예정이다. 현재 임상실험 초기 단계를 진행 중이다.
그래핀은 2004년 러시아 출신의 영국 맨체스터대학교 교수인 안드레 콘스탄틴 가임과 콘스탄틴 노보셀로프가 발견한 육각형 벌집 모양의 2차원 평면 구조인 탄소 동소체이다. 탄소 동소체는 탄소로만 이뤄져 있다. 동시에 서로 다른 성질을 가지는 홑원소 물질을 가리킨다. 이러한 원소로는 다이아몬드, 흑연, 풀러렌 등이 있다. 해당 발명으로 두 과학자는 2010년 노벨 물리학상을 수상했다.
탄소 동소체는 다른 동소체들과 다른 성질을 지닌다. 탄소 동소체 중 다이아몬드는 지표 약 200km 아래에서 만들어져 다른 자연계 재료에 비해 높은 경도를 가지고 있다. 경도는 다른 것들에 긁힘 정도를 의미한다. 그러나 다른 재료에 비해 높은 강도를 가지고 있지 않다. 경도와 강도의 차이를 설명할 때는 페트병을 예로 들 수 있다. 페트병은 강한 힘에도 흠집은 나지 않지만 너무 강하게 내리치면 터져버린다. 이때 페트병은 경도는 높지만 강도는 약하다고 본다.
다이아몬드의 이러한 특성에 더하여 그래핀은 더 많은 특성을 가지고 있다. 그래핀은 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통한다. 또한, 반도체인 단결정 규소보다 100배 이상 전자를 빠르게 이동시킨다. 강도는 강철보다 200배 이상 더 강하다. 다이아몬드보다 2배 더 빠른 열 전도성을 가지고 있기도 하다. 그리고 탄성이 강해 늘리거나, 구부려도 전기 성질을 잃지 않는다.
그러나 이러한 특성들에도 단점이 존재했다. 해당 특성으로 반도체, 전자 기기 등 다양한 분야에서 사용될 줄 알았으나, 발견한 지 20년이 지났지만 상용화된 분야가 전무하다. 대량 생산이 불가하고, 높은 비용으로 많은 양을 가질 수 없기 때문이다.
그렇지만 해당 임상실험은 그래핀이 뇌 의학에 사용할 수 있다는 점을 입증하고자 한다. 과학자들은 그래핀의 높은 전도성을 활용해 새로운 전기 및 자기 센서와 다양한 장치를 개발했다. 이중 현재 임상 실험 준비 중인 ‘뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)’가 하나다.
그래핀을 활용한 BCI장치는 이전에는 감지할 수 없던 주파수를 사용한다. 뇌 세포의 전기 자극 모니터링을 향상시키기 위해 국제 연구진이 개발한 장치다. 연구에 참여한 코스타렐로스 교수는 “암세포와 건강한 세포를 구별하여 뇌종양 수술이 매우 정확한 방식으로 이뤄지도록 하는 것이 첫 번째 용도”라고 밝혔다.
한국에서 뇌종양 발병 수는 1854건(2023년 기준)으로 전체 암 발생 비율의 0.7%를 차지한다. 이러한 뇌종양은 종류마다 천차만별로, 사망률이 동일하지 않다. 가장 높은 5년 생존율을 가진 뇌하수체 선종은 약 97%이고, 반면 가장 낮은 생존율을 가진 교모세포종은 7%로 아주 낮다.
뇌종양 치료가 더 어려워지는 이유는 종양 위치를 정확하게 특정할 수 없는 점이다. 그러나 이번 임상 실험에서 뇌에서 주고받는 전기 신호를 정확하게 저장하여 기존 뇌세포가 주고받는 신호를 받지 않는 세포를 알아내는 방식으로 위치를 특정할 수 있다. 코스타렐로스 교수는 “암세포는 숙주 신경세포와 달리 칩이 발산하는 전기 자극에 반응하지 않는다”며 “수술팀은 BCI 장치를 통해 암세포에 매우 가까운 신경세포를 식별한다”고 설명했다. 이어 “그래핀 칩의 신호에 따라 병든 세포를 더 정확하고 확실하게 제거할 수 있다”고 덧붙였다.
이 외에도 해당 장치의 그래핀 칩은 뇌졸증과 간질 발작에도 뇌 영향을 받는 부위의 세포에 매우 낮은 주파수를 보내는 것으로 알려졌다. 해당 주파수 또한 BCI 장치 내의 그래핀 칩을 통해 발견될 가능성이 존재한다.
