주입된 나노입자, 실명된 쥐의 망막이 빛에 반응하게 만들다

연구자들이 눈에 주입하면 실명된 망막이 다시 빛에 반응하도록 만드는 미세한 입자를 개발했습니다. 망막의 빛 감지 세포가 죽어가는 질환인 진행성 망막색소변성증(retinitis pigmentosa)을 가진 쥐를 대상으로 한 실험에서, 이 입자는 빛이 시각을 처리하는 뇌 부위인 시각 피질(visual cortex)의 활동을 유발하도록 만들었습니다. 쥐들은 주입 후 빛에 반응하는 행동 방식도 바뀌었습니다. 같은 입자는 돼지에서 채취한 분리된 망막 조직의 신경세포도 활성화시켰습니다.

이 연구는 Aarhus University 생물화학공학과의 Menglin Chen 부교수가 주도했으며 Nature Biomedical Engineering에 게재되었습니다. 이 프로젝트는 7년 전 태양전지가 빛을 전기로 바꾸는 것처럼, 빛과 살아있는 세포 사이를 무선으로 매개하는 물질을 만들 수 있을까라는 개방형 질문에서 시작되었습니다. 이번 망막 실험 결과는 그 질문이 손실된 광수용체를 대체하기 위한 광감응성 임플란트라는 구체적인 의료 기기를 향한 초기 단계로 전환되는 지점을 보여줍니다.

망막색소변성증에서는 눈 뒤쪽에서 원래 빛을 포착하는 광수용체 세포가 점진적으로 죽지만, 망막의 다른 많은 신경세포와 연결은 온전하게 남아 있습니다. 새로운 입자는 이렇게 살아남은 세포들을 활용하도록 설계되었습니다. 이 입자는 지름 약 300나노미터, 대략 인간 머리카락 굵기의 100분의 1 정도의 속이 빈 구형이며, graphitic carbon nitride라는 광감응성 반도체로 만들어졌습니다. 속이 빈 형태는 식물 세포 안에서 태양광을 포착하는 구조인 엽록체(chloroplast)에서 일부 영감을 받았습니다.

입자가 빛에 노출되면 주변에서 물리적, 화학적 과정을 일으켜 근처 세포가 신호를 보내는 방식에 영향을 줄 수 있습니다. 연구자들은 이를 여러 규모에서 시험했습니다. 정밀하게 초점을 맞춘 레이저는 세포 하나 안의 입자 하나를 활성화시켜 이웃 세포로 퍼지는 신호를 유발할 수 있었고, 심장 근육 세포에 흡수된 입자를 향한 일반 LED 조명은 그 세포들이 서로 더 동기화되어 박동하게 만들었습니다.

눈에서는 주입된 입자가 망막 표면, 즉 눈에서 뇌로 시각 신호를 전달하는 신경세포인 망막 신경절세포(retinal ganglion cell) 근처에 자리를 잡았습니다. 이후 눈에 빛을 비추자 쥐의 시각 피질에서 측정 가능한 활동이 나타났습니다. 살아남은 망막 세포의 유전자를 변형해야 하는 유전자 치료나 광유전학(optogenetics)과 달리, 이 접근법은 세포 자체를 바꾸지 않습니다. 또한 수술로 삽입해야 하는 전자 망막 임플란트와 달리 이식 장치가 필요하지 않습니다. 이 연구의 공동저자이자 University of Eastern Finland의 망막 전문가인 Henri Leinonen은 특정 유전자를 표적으로 하는 유전자 치료와 달리 이 접근법은 환자의 실명을 일으킨 특정 돌연변이에 의존하지 않는다는 점이 매력이라고 말했습니다.

망막의 일부 기능을 회복시키기 위해 나노입자를 사용한다는 아이디어는 새로운 것이 아닙니다. 다른 종류의 고분자 기반 나노입자를 사용한 별도의 연구 흐름에서는, 진행성 망막변성을 가진 쥐(rat)에서 망막 아래에 주입한 광활성 입자가 동공의 빛 반응, 시각과 관련된 뇌 신호, 빛에 의한 행동을 회복시킬 수 있음을 이미 보여준 바 있습니다. 이는 동물의 광수용체가 완전히 죽고 내망막의 신경 연결이 크게 재배열된 뒤에도 가능했는데, 이러한 재배열은 변성이 오래 지속될 때 흔히 일어나는 과정입니다. 그 연구는 또한 이러한 재배열이 나노입자 기반이든 아니든 모든 망막 보철에 대한 도전 과제라고 지적했는데, 보철 장치는 대체로 변성이 이미 진행된 이후에야 사용되기 때문입니다.

이 분야에 대한 보다 광범위한 리뷰들은 흔히 인공 눈(bionic eye)이라 불리는 전극 기반 망막 임플란트가 20년 넘는 개발 기간을 거쳤음에도 제한적인 시력 선명도만을 제공했다고 설명합니다. 이는 주로 전류가 망막 조직을 통해 퍼져나가면서 특정 전극이 표적으로 삼으려는 세포뿐 아니라 무차별적으로 세포를 자극하기 때문입니다. 빛은 원리적으로 더 정밀하게 초점을 맞출 수 있기 때문에, 광감응성 나노입자를 포함한 광학적 접근법은 이러한 전류 확산 문제를 피할 수 있는 방법으로 여겨집니다. 이 분야에 대한 리뷰들은 또한 나노입자 기반 접근법이 눈 안의 정확하고 안정적인 위치에 입자를 얼마나 신뢰성 있게 전달할 수 있는가라는 여전히 해결되지 않은 문제들에 직면해 있다고 지적합니다.

Aarhus 연구자들은 자신들의 쥐 실험이 정상 시력의 회복을 의미하지는 않는다고 명확히 밝히고 있습니다. 그들이 보여준 것은 빛을 감지하는 세포가 대부분 퇴화한 망막에서 빛에 대한 측정 가능한 생물학적 반응이며, Leinonen은 이를 완성된 보철이 아니라 초기 단계라고 설명했습니다. 연구자들은 이 기술이 인간을 대상으로 치료법으로 시험되기 전에 장기적인 안전성과 기능이 훨씬 더 상세하게 연구되어야 한다고 말했습니다.

2019년 Carlsberg Foundation의 지원을 받아 시작된 이 프로젝트는 나노섬유(nanofiber) 시험에서 속이 빈 나노입자로, 그리고 단일 세포 활성화에서 살아있는 동물 전체에서의 반응 유발로 발전해왔습니다. 2024년 연구팀은 이 입자를 주입형 망막 보철로 사용하는 방법과 심장 세포를 자극하는 방법을 포괄하는 국제 특허를 출원했으며, 2025년에는 Chen이 이 기술을 눈에 특화해 개발하기 위해 Novo Nordisk Foundation으로부터 추가 지원금을 받았습니다. 남은 과제로는 입자를 눈 안으로 전달하는 방법을 개선하고, 장기간에 걸쳐 입자가 눈 속에서 어떻게 거동하는지 추적하며, 안전성을 추가로 시험하는 일이 있으며, 이러한 과제들을 마친 뒤에야 이 물질이 사람의 시력을 회복시키는 데 도움이 될 수 있는지에 대한 질문을 본격적으로 다룰 수 있을 것입니다.