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더 크고 정교한 '미니 뇌' 생산 가능해진다

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더 크고 정교한 '미니 뇌' 생산 가능해진다

2021.08.05 18:00
IBS, 나노기술로 뇌 환경과 유사한 뇌 오가노이드 배양 플랫폼 개발
IBS 나노의학연구단 [그림1]연구진이 개발한 ‘인간 미니 뇌 배양 플랫폼’ 모식도. IBS 제공
조승우 기초과학연구원(IBS) 나노의학 연구단 연구위원(연세대 생명공학과 교수) 연구팀이 실제 인간 뇌와 유사한 환경을 구현한 ‘뇌 오가노이드 배양 플랫폼’을 개발했다. 뇌 조직에서 뇌세포를 뺀 세포외기질로 하이드로젤을 만들고, 미세한 채널로 액체 흐름을 정밀 조정하는 미세유체칩을 융합해 실제 뇌의 미세환경과 닮은 뇌 오가노이드 배양 플랫폼을 만들었다. IBS 제공

신생아의 뇌처럼 성숙한 데다 기존보다 2배 이상 커진 ‘미니 뇌’가 탄생했다. 


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

 

뇌 오가노이드는 뇌를 연구하기 위해 줄기세포를 뇌와 비슷한 환경으로 키워서 만드는 인공장기다. 체세포를 역분화시켜 인체의 다른 모든 세포로 분화할 수 있도록 만든 유도만능줄기세포를 뇌와 비슷하게 분화시키고 자가 구조화 과정을 거치게 해서 만든다. 

 

하지만 지금까지 개발된 뇌 오가노이드는 태아 수준에 머물러 있었다. 줄기세포를 배양할 때 사용하는 배양지지체가 뇌의 단백질 성분과 달라, 뇌 발달에 필요한 환경을 구현하지 못하기 때문이었다. 오가노이드가 커질수록 중심부까지 산소와 영양분을 공급하기가 어려워 세포가 죽는 것도 문제였다.

 

연구팀은 이런 한계점을 나노기술로 극복했다. 우선 뇌 조직에서 뇌세포를 없애고 남은 세포외기질을 이용해 뇌의 미세환경과 닮은 3차원 하이드로젤을 개발했다. 실제 뇌 환경과 매우 유사한 덕분에 뇌 발달에 필요한 생화학적, 물리적 환경을 만들 수 있다. 또한 미세한 채널로 구성된 미세유체칩을 더했다. 배양액의 흐름을 정밀하게 조정해 뇌 오가노이드 중심부까지 산소와 배양액을 공급하는 효율을 높였다. 

 

먼저 하이드로젤에 줄기세포를 배양해 뇌 오가노이드를 만든 결과 대뇌피질을 구성하는 신경상피가 발달해 뇌주름이 다량 생성됐다. 신경세포와 성상교세포, 미세아교세포 등 다양한 뇌세포가 기존보다 많이 발생했다. 뇌의 구조와 기능이 훨씬 발달한 수준으로 만들어진 것이다. 

 

여기에 미세유체칩을 융합해 '뇌 오가노이드 배양 플랫폼'을 완성했다. 그리고 미세유체칩으로 산소와 배양액을 공급했더니 뇌 오가노이드가 원래(2~3mm)보다 약 2배인 4~5mm 수준까지 자라고, 신경 기능도 증진됐다. 연구팀은 여러 번의 실험 결과 뇌 오가노이드를 최대 8mm까지 키우기도 했다. 지금까지 만들어진 미니 뇌보다 훨씬 크고 발달한 것이다.

 

조승우 연구위원은 “기존 뇌 오가노이드를 배양하는 데 있었던 한계를 나노기술로 극복했다”며 “새로운 뇌 오가노이드 배양 플랫폼을 활용하면 난치성 뇌질환이 어떻게 발생하는지 밝혀내고 치료제를 개발할 수 있을 것”이라고 말했다. 

 

조안나 박사와 진윤희 연구교수, 안연주 학생연구원이 주저자로 참여한 이번 연구결과는 국제학술지 ’네이처 커뮤니케이션즈‘ 온라인판 5일 게재됐다.

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