KAIST "OLED '적색 빛' 알츠하이머 개선 효과"

약물 없이 OLED 빛만으로 알츠하이머 치료과정에서 개선 효과를 거둘 수 있다는 연구 결과가 나왔다. 이를 토대로 OLED 빛의 색·밝기·깜박임의 비율과 노출 시간을 정밀하게 제어해 개인 맞춤형 OLED '전자약'으로 활용할 수 있는 가능성도 점쳐진다.

(상단부터) KAIST 최경철 교수 연구팀, 한국뇌연구원 구자욱 박사 연구팀, 한국뇌연구원 허향숙 박사 연구팀 구성원. KAIST 제공

KAIST는 전기 및 전자공학부 최경철 교수 연구팀과 한국뇌연구원(KBRI) 구자욱 박사·허향숙 박사 연구팀이 균일 조도의 3가지 색 OLED 광자극 기술을 개발해 청색·녹색·적색 중 '적색 40Hz 빛'이 알츠하이머 병리와 기억 기능을 가장 효과적으로 개선한다는 사실을 확인했다고 24일 밝혔다.

공동연구팀은 기존 LED 방식이 가진 밝기 불균형, 열 발생 위험, 동물의 움직임에 따른 자극 편차 등 구조적 한계를 해결하기 위해 '균일하게 빛을 내는' OLED 기반의 광자극 플랫폼을 구축한 후 플랫폼을 활용해 백색·적색·녹색·청색 빛을 동일한 조건(40Hz 주파수·밝기·노출시간)에서 비교한 결과 '적색 40Hz' 빛이 기억력을 개선하는 데 가장 우수한 개선 효과를 보였다.

특히 초기 병기(3개월령) 동물 모델은 단 2일간의 자극만으로도 병리 및 기억력 개선됐다.

초기 알츠하이머 동물 모델이 하루 1시간씩 이틀간 빛에 노출됐을 때는 백색·적색 빛 모두 장기 기억이 향상됐고 해마 등 중요한 뇌 영역에 쌓여 있던 알츠하이머병의 대표적인 원인 물질로 알려진 단백질 찌꺼기(덩어리) '아밀로이드베타(Aβ) 플라크'가 줄었다.

또 플라크를 제거하는 데 도움이 되는 효소(ADAM17)가 다량 만들어지는 것을 실험을 통해 확인됐다.

이는 짧은 기간의 빛 자극만으로도 뇌 속 나쁜 단백질이 줄고 기억 기능이 개선될 수 있다는 것을 의미한다.

무엇보다 적색 빛에서는 염증을 악화시키거나 뇌 조직에 스트레스를 줘 알츠하이머병 진행에 영향을 줄 수 있는 '염증성 사이토카인 IL-1β'가 크게 감소해 염증 완화 효과가 확인됐다.

공동연구팀은 플라크 감소량이 많을수록 기억력 향상 폭이 커 병리 개선이 인지 기능 향상으로 직접 이어지는 것도 실험을 통해 검증했다.

중기 병기(6개월령) 모델에서는 적색 빛에서만 통계적 병리 개선이 확인됐다. 중기 알츠하이머 모델을 대상으로 2주간 동일 조건으로 장기 자극을 수행했을 때 백색·적색 모두 기억력 향상은 있었지만, 플라크 감소는 적색에서만 통계적으로 유의미하게 나타났다.

분자 수준에서도 색상별 차이가 분명했다. 적색 빛을 비춘 경우 플라크를 없애는 데 도움이 되는 효소(ADAM17)는 늘고, 플라크를 만드는 효소(BACE1)는 줄어드는 효과를 보여 플라크 생성 억제·제거 촉진의 '이중 효과'를 확인케 했다.

반면 백색 빛은 플라크를 만드는 효소(BACE1)만 줄어 적색 빛보다 치료 효과가 제한적이었다. 이는 빛의 색상이 치료 효과를 결정하는 핵심 요소임을 과학적으로 규명한 성과다.

적색 OLED 로 신경 세포를 자극 알츠하이머 실험용 쥐의 아밀로이드 베타의 줄이는 기전 모식도. KAIST 제공

공동연구팀은 빛 자극 후 실제로 어떤 뇌 회로가 작동했는지를 확인하기 위해 뇌세포가 활성화될 때 가장 먼저 켜지는 표지 유전자(c-Fos)의 발현을 분석했다.

이를 통해 '시각피질→시상→해마'로 이어지는 '시각?기억 회로' 전체가 활성화돼 빛 자극이 시각 경로를 깨워 해마 기능과 기억력 향상으로 이어진다는 신경학적 근거를 제시했다.

특히 균일 조도의 OLED 플랫폼은 동물의 움직임이 있을 때도 빛을 고르게 전달해 실험 결과가 흔들리지 않았고, 반복적으로 진행한 실험에서도 효과가 일관적으로 재현돼 신뢰성이 확보됐다는 게 공동연구팀의 설명이다.

이번 연구는 약물 없이 빛만으로 인지 기능을 개선하고, 색상·주파수·기간 조합으로 알츠하이머 병리 지표를 조절할 수 있음을 최초로 규명했다는 점에서 의미를 갖는다.

공동연구팀이 개발된 OLED 플랫폼은 색·밝기·깜박임 비율·노출 시간을 정밀하게 조절할 수 있어 사람 대상의 개인별 맞춤 자극 설계에도 적합하다.

이에 공동연구팀은 자극 강도·에너지·기간·시각·청각 복합 자극 등 다양한 조건을 확장해 임상 단계로 연구 과정을 발전시켜갈 계획이다.

최 교수는 "균일 조도 OLED 플랫폼은 기존 LED의 구조적 한계를 극복해 높은 재현성과 안전성 평가를 가능케 한다"며 "공동연구팀은 앞으로 일상에서 착용해 치료할 수 있는 웨어러블 'RED OLED 전자약'이 알츠하이머 치료의 새로운 패러다임을 제시할 것으로 기대한다"고 말했다.

한편 이번 연구는 한국연구재단, 국가정보산업진흥원, 한국뇌연구원 기초 연구 프로그램의 지원을 받아 수행됐다.

연구 결과(논문)는 최근 생체의학·재료 분야 국제 학술지 `에이씨에스 바이오매터리얼즈 사이언스 앤 엔지니어링(ACS Biomaterials Science & Engineering)' 온라인판에 게재됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr