기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 나노의학 연구단(단장 천진우) 조승우 연구위원(연세대 생명공학과 교수) 연구팀은 실제 인간 뇌와 유사한 환경을 구현한 ‘뇌 오가노이드 배양 플랫폼’을 개발하여‘미니 뇌’제작에 성공했다. 이는 신생아의 뇌 수준에 가깝게 성숙한 데다, 기존보다 2배 이상 크게 제작됐다.

‘뇌 오가노이드(organoid)¹⁾는 뇌 연구를 위한 최적의 모델로 각광받는다. 이는 유도만능줄기세포(induced pluripotent stem cell)²⁾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.

연구진은 나노기술로 이러한 한계를 극복했다. 우선 뇌의 미세환경과 유사한 젤리 형태의‘3차원 하이드로젤(hydrogel)³⁾을 개발했다. 이는 세포를 제거한(탈세포) 뇌의 세포외기질(extracellular matrix)⁴⁾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)⁵⁾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 조안나 박사와 진윤희 연구교수, 안연주 학생연구원이 주저자로 참여하여, 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 14.919) 온라인판에 18시(한국시간) 게재됐다.

연구진이 개발한 인간 미니 뇌 배양 플랫폼 모식도. 탈세포 과정을 거친 뇌 조직 모사 하이드로젤과 동적 배양한 미세유체 칩을 융합하여 성숙한 뇌 오가노이드 배양 플랫폼을 만드는 그림.

[그림 1] 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.

기존 뇌 오가노이드와 연구진이 제작한 뇌 오가노이드의 3차원 이미지 비교. 1) 3D 구조. 매트리젤, 뇌 조직 모사 하이드로젤, 뇌 조직 모사 하이드로젤 + 미세유체 칩. 2) TBR1 DAPI. 매트리젤, 뇌 조직 모사 하이드로젤, 뇌 조직 모사 하이드로젤 + 미세유체 칩.

[그림 2] 기존 뇌 오가노이드와 연구진이 제작한 뇌 오가노이드의 3차원 이미지 비교

매트리젤을 지지체로 사용한 기존 뇌 오가노이드에 비해 연구진이 제작한 뇌 오가노이드는 더욱 발달된 구조와 크기를 보인다. 또한 성숙한 뇌 조직에 존재하는 피질 단백질(TBR1)도 더 많이 발현됐다. 요컨대 뇌 조직 모사 하이드로젤과 미세유체 칩을 함께 적용한 획기적 배양플랫폼으로 기존보다 월등히 크고 성숙한 미니 뇌를 제작한 것이다.

뇌 오가노이드의 피질 및 구조 발달을 확인하는 3차원 이미지 분석

[그림 3] 뇌 오가노이드의 피질 및 구조 발달을 확인하는 3차원 이미지 분석

본 연구진의 배양 플랫폼을 적용하면 뇌 오가노이드의 주름 구조가 발달하고 신경세포 특이적 단백질인 Tuj1, Sox2 발현이 증가함을 알 수 있다. 120일 동안 배양한 결과 성숙한 신경세포에서 발현되는 CTIP2(녹색, 안쪽층), SATB2(적색, 바깥층) 단백질 층이 실제 대뇌 피질과 유사하게 형성되었다.

1) 오가노이드(organoid): 줄기세포의 분화 및 자가 구조화 과정을 거쳐 만들어지는 장기유사체. 미니 장기라고도 불린다.

2) 유도만능줄기세포(induced pluripotent stem cell): 이미 분화된 체세포를 역분화시켜 제작한 우리 몸을 구성하는 모든 세포로 분화할 수 있는 능력을 가진 만능줄기세포

3) 하이드로젤(hydrogel): 친수성 고분자로 구성된 젤리와 같은 물성을 가진 생체소재

4) 세포외기질(extracellular matrix): 세포와 세포 사이의 공간을 채워줌으로써 조직의 구조를 형성하고 지지하는 역할을 담당하는 단백질 성분

5) 신경 상피(neuroepithelium): 대뇌 피질로 발달하는 신경 세포층으로 이루어진 조직