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국내연구진, 월등히 크고 정교한 '인공 뇌' 만들었다
국내연구진, 월등히 크고 정교한 '인공 뇌' 만들었다
  • 이진수 기자
  • 승인 2021.08.20 16:20
  • 댓글 0
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오가노이드(organoid) 줄기세포를 시험관에서 키워 사람의 장기 구조와 같은 조직을 구현한 장기유사체. 미니 장기라고도 불린다. 네덜란드 후브레히트연구소의 한스 클레버 교수팀이 2009년 성체 줄기세포로 장관 오가노이드를 최초로 만든 이후, 2019년 미국 캘리포니아대 연구진이 뇌 오가노이드 제작에 성공했다.(이미지=기초과학연구원)
오가노이드(organoid) 줄기세포를 시험관에서 키워 사람의 장기 구조와 같은 조직을 구현한 장기유사체. 미니 장기라고도 불린다. 네덜란드 후브레히트연구소의 한스 클레버 교수팀이 2009년 성체 줄기세포로 장관 오가노이드를 최초로 만든 이후, 2019년 미국 캘리포니아대 연구진이 뇌 오가노이드 제작에 성공했다.(이미지=기초과학연구원)

[더리포트=이진수기자] 국내연구진이 치매, 파킨슨 병 등 난치성 뇌질환 치료용 효과적인 생체모델이 될 미니 뇌’를 만들었다.

기초과학연구원은 20일 연구원 나노의학 연구단이 실제 인간 뇌와 유사한 환경을 구현한 ‘뇌 오가노이드 배양 플랫폼’을 개발하여 '미니 뇌’ 제작에 성공했다고 밝혔다.

‘뇌 오가노이드(organoid)’는 뇌 연구를 위한 최적의 모델로 각광받는다. 동물의 뇌는 사람의 뇌와 구조, 기능, 복잡성에서 차이가 큰 한편, 사람의 뇌를 직접적인 연구대상으로 삼기도 어렵기 때문이다. 

이에 과학자들은 유도만능줄기세포(induced pluripotent stem)를 배양하여 뇌 기능 및 작용을 모사하는 '미니 뇌’를 제작해냈다. 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.

연구진이 개발한 ‘인간 미니 뇌 배양 플랫폼’ 모식도. 탈세포 뇌 조직 유래 세포외기질(decellularized human brain extracellular matrix, BEM) 기반의 뇌 조직 모사 ‘하이드로젤(hydrogel)’과, 미세한 채널로 액체의 흐름을 정밀 조정하는‘미세유체 칩(microfluidic chip)’을 융합하여 실제 뇌 미세환경과 유사한 뇌 오가노이드 배양 플랫폼을 구축하였다. (이미지=기초과학연구원)​
나노의학 연구진이 개발한 ‘인간 미니 뇌 배양 플랫폼’ 모식도. 탈세포 뇌 조직 유래 세포외기질(decellularized human brain extracellular matrix, BEM) 기반의 뇌 조직 모사 ‘하이드로젤(hydrogel)’과, 미세한 채널로 액체의 흐름을 정밀 조정하는‘미세유체 칩(microfluidic chip)’을 융합하여 실제 뇌 미세환경과 유사한 뇌 오가노이드 배양 플랫폼을 구축하였다. (이미지=기초과학연구원)​

IBS 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 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.

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 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 14.919) 온라인판에 18시(한국시간) 게재됐다.

 

 


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