[위즈뉴스] 치매나 파킨슨병 등 난치성 뇌질환의 연구 모델로 활용할 수 있는 '미니 뇌' 플랫폼이 국내 연구진에 의해 개발됐다.
기초과학연구원(IBS, 원장 노도영)은 5일, 나노의학 연구단 조승우 연구위원(연세대 생명공학과 교수) 연구팀이 실제 인간 뇌와 유사한 환경을 구현한 ‘뇌 오가노이드 배양 플랫폼’을 개발하여 ‘미니 뇌’를 제작하는 데 성공했다고 밝혔다. 이는 신생아의 뇌 수준에 가깝게 성숙한 데다, 기존보다 2배 이상 크게 제작됐다.
이번 연구 성과를 담은 논문은 SCI급 저명 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF=14.919)' 8월 5일자 온라인판에 게재됐다.
논문명은 'Microfluidic device with brain extracellular matrix promotes structural and functional maturation of human brain organoids'이며 IBS 조승우 연구위원이 교신저자로, 호주 맥쿼리대학교 조안나 박사와 연세대 생명공학과 진윤희 연구교수, 연세대 생명공학과 안연주 학생연구원이 공동제1저자로 참여했다.
연구팀의 조승우 연구위원은 “나노기술을 이용해 기존의 한계를 극복한 새로운 뇌 오가노이드 배양 플랫폼을 개발했다”며 “이는 난치성 뇌질환 기전 규명 및 치료제 개발을 위한 효과적인 체외 모델로 활용할 수 있다”고 말했다.
‘뇌 오가노이드(organoid)’는 뇌 연구를 위한 최적의 모델로 각광받는다. 오가노이드(organoid)는 줄기세포의 분화 및 자가 구조화 과정을 거쳐 만들어지는 장기유사체로, 미니 장기라고도 불린다
이는 유도만능줄기세포(induced pluripotent stem cell)를 배양하여 만들 수 있다. 다만 기존 뇌 오가노이드는 태아 수준에 머물러 있다. 주로 사용하는 배양지지체가 뇌의 단백질 성분과 달라, 뇌 발달에 필요한 환경을 구현하지 못하기 때문이다. 또한 오가노이드가 커질수록 중심부까지 산소 및 영양분 공급이 어려워 세포가 죽는 문제도 있었다.
유도만능줄기세포(induced pluripotent stem cell)란 이미 분화된 체세포를 역분화시켜 제작한, 우리 몸을 구성하는 모든 세포로 분화할 수 있는 능력을 가진 만능줄기세포를 말한다.
연구진은 나노기술로 이러한 한계를 극복했다. 우선 뇌의 미세환경과 유사한 젤리 형태의 ‘3차원 하이드로젤(hydrogel)’을 개발했다. 이는 세포를 제거한(탈세포) 뇌의 세포외기질(extracellular matrix)을 활용한 것이다.
이로써 뇌 발달에 필요한 생화학적·물리적 환경을 만들 수 있게 됐다. 나아가 미세한 채널로 구성된 ‘미세유체칩(microfluidic chip)’을 도입해, 배양액 흐름을 정밀 조정하여 산소와 배양액을 중심부까지 효과적으로 공급하도록 했다.
이후 개발한 하이드로젤을 이용해 뇌 오가노이드 배양실험을 진행했다. 그 결과 대뇌 피질(cortex)을 구성하는 신경상피(neuroepithelium)가 발달하여 뇌 주름이 다량 생성됐다. 또한 신경세포·성상교세포·미세아교세포 등 다양한 뇌세포가 기존 방식보다 많이 발현하였다. 뇌 구조 및 기능이 더욱 성숙해진 것이다.
여기에 미세유체칩을 적용하면 기존 뇌 오가노이드(2~3mm) 보다 약 2배가 큰 4~5mm 수준으로 커지고 신경 기능이 증진됐다. 연구진은 실험에 따라 최대 8mm까지 커지는 것을 확인했다. 이로써 기존보다 월등히 크고 발달한 인조 뇌를 제작할 수 있게 되었다.
