조승우 교수팀, 뇌 환경과 유사한 뇌 오가노이드 배양 플랫폼 개발

치매, 파킨슨병 등 난치성 뇌질환의 연구 모델로 활용

[사진. (왼쪽부터) 조승우 교수, 조안나 박사, 진윤희 연구교수, 안연주 학생연구원]

생명공학과 조승우 교수(고등과학원 IBS 연구위원) 연구팀은 실제 인간 뇌와 유사한 환경을 구현한 ‘뇌 오가노이드 배양 플랫폼’을 개발해 ‘미니 뇌’ 제작에 성공했다. 이는 신생아의 뇌 수준에 가깝게 성숙한 데다, 기존보다 2배 이상 크게 제작됐다. 이번 연구성과에는 조안나 박사와 진윤희 연구교수, 안연주 학생연구원이 주 저자로 참여했으며, 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 14.919) 온라인판에 8월 5일 게재됐다.

뇌 연구를 위한 최적의 모델로 각광받는 ‘뇌 오가노이드(organoid)’는 유도만능줄기세포(induced pluripotent stem cell)를 배양해 만들 수 있다. 다만 기존 뇌 오가노이드는 태아 수준에 머물러 있다는 한계가 있었다. 주로 사용하는 배양지지체가 뇌의 단백질 성분과 달라, 뇌 발달에 필요한 환경을 구현하지 못했기 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 것으로, 이로써 뇌 발달에 필요한 생화학적·물리적 환경을 만들 수 있게 됐다. 나아가 미세한 채널로 구성된 ‘미세유체칩(microfluidic chip)’을 도입, 배양액 흐름을 정밀 조정해 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 적용했을 때 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 됐다.

조승우 교수는 “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.

고등과학원은 세계 최고 수준의 기초과학 연구와 교육을 목표로 나노의학 융합연구를 수행하며 100년을 바라보는 세계 초일류 수준의 대학 내 기초과학연구소를 지향한다. 고등과학원은 융합 분야의 퍼스트무버(First Mover) 및 빅 사이언스(Big Science) 창출을 목표로 하며 나노과학과 의학을 융합한 나노바이오메디컬엔지니어링 전공을 통해 미래과학을 선점하는 데 기여하고 있다.

논문정보

● 논문제목: Microfluidic device with brain extracellular matrix promotes structural and functional maturation of human brain organoids

● 논문주소: https://www.nature.com/articles/s41467-021-24775-5