‘미니 뇌’ 배양 플랫폼 개발…난치성 뇌질환 치료제 개발 활용

이재혁 / 기사승인 : 2021-08-05 18:29:30
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치매, 파킨슨병 등 난치성 뇌질환의 연구 모델로 활용
▲ 연구진이 개발한 ‘인간 미니 뇌 배양 플랫폼’ 모식도 (사진= 기초과학연구원 제공)

국내 연구진에 의해 신생아의 뇌 수준에 가깝고 기존보다 2배 이상 큰 ‘미니 뇌’가 제작됐다.

기초과학연구원 나노의학 연구단 조승우 연구위원(연세대 생명공학과 교수) 연구팀은 실제 인간 뇌와 유사한 환경을 구현한 ‘뇌 오가노이드 배양 플랫폼’을 개발해 ‘미니 뇌’ 제작에 성공했다고 5일 밝혔다.

‘뇌 오가노이드(organoid)’는 뇌 연구를 위한 최적의 모델로 각광받는다. 이는 유도만능줄기세포(induced pluripotent stem cell)를 배양해 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.

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 도입, 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 발달해 뇌 주름이 다량 생성됐다.

또한 신경세포·성상교세포·미세아교세포 등 다양한 뇌세포가 기존 방식보다 많이 발현했다. 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 확인함으로써 기존보다 월등히 크고 발달한 인조 뇌를 제작할 수 있게 됐다.

조승우 연구위원은 “나노기술을 이용해 기존의 한계를 극복한 새로운 뇌 오가노이드 배양 플랫폼을 개발했다”며 “이는 난치성 뇌질환 기전 규명 및 치료제 개발을 위한 효과적인 체외모델로 활용할 수 있다”고 전했다.

이번 연구성과는 조안나 박사와 진윤희 연구교수, 안연주 학생연구원이 주저자로 참여했으며 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 14.919) 온라인판에 게재됐다.

메디컬투데이 이재혁 (dlwogur93@mdtoday.co.kr)

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