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월등히 크고 정교한 ‘미니 뇌’ 탄생

- 뇌 환경과 유사한 뇌 오가노이드 배양 플랫폼 개발 -

- 기존보다 2배 이상 크고 신생아 뇌만큼 성숙한 인조 뇌 제작 성공 -

오가노이드(organoid) 그림
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.



기초과학연구원 나노의학 연구단이 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. 치매, 파킨슨 병 등 난치성 뇌질환 치료를 위한 효과적인 생체모델이 될 것으로 기대된다.

‘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.

유도만능줄기세포의 분화과정 그림
유도만능줄기세포의 분화과정

1) 세포 분리및 배양. 2) 바이러스 벡터를 이용하여 줄기세포 유도 유전자를 주입. 3) ES 세포 배양을 위하여 세포분열이 일어나지 않는 지지 세포 (feeder cell)과 함께 배양. 4) 이들 세포 중 몇 몇은 iPS로 변화하여 ES 세포와 같은 콜로니를 형성한다.

(이미지출처 : 네이버 백과사전, https://commons.wikimedia.org/wiki/File%3AInduction_of_iPS_cells.svg)



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.


성숙한 뇌 오가노이드를 설명하는 이미지로 탈세포과정을거친 뇌조직과 동적 배양을 한 미세유체칩의 모사 하이드로젤의 모습
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.



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.


3d 구조로 나타낸 매트리젤, 뇌 조직 모사 하이드로젤, 뇌 조직 모사 하이드로젤 + 미세유체 칩의 모습
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 분석하여 바깥층과 안쪽층을 3차원으로 확인한 이미지
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.



조승우 연구위원은 “나노기술을 이용해 기존의 한계를 극복한 새로운 뇌 오가노이드 배양 플랫폼을 개발했다”며“이는 난치성 뇌질환 기전 규명치료제 개발을 위한 효과적인 체외모델로 활용할 수 있다.”고 전했다. 이번 연구성과는 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 14.919) 온라인판에 18시(한국시간) 게재됐다.


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

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

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

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

IBS 커뮤니케이션팀
박유진

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최종수정일 2021-04-14 16:54