‘미니 뇌’, 더욱 크고 정교하게 만든다-IBS 나노의학 연구단, 뇌 환경과 유사한 뇌 오가노이드 배양 플랫폼 개발

‘미니 뇌’, 더욱 크고 정교하게 만든다-IBS 나노의학 연구단, 뇌 환경과 유사한 뇌 오가노이드 배양 플랫폼 개발

보도일 2021-08-05 18:00

 

 

‘미니 뇌’, 더욱 크고 정교하게 만든다

- IBS 나노의학 연구단, 뇌 환경과 유사한 뇌 오가노이드 배양 플랫폼 개발 -

- 치매, 파킨슨병 등 난치성 뇌질환의 연구 모델로 활용 -

 

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

’는 뇌 연구를 위한 최적의 모델로 각광받는다. 이는 유도만능줄기세포(induced pluripotent stem cell) 유도만능줄기세포(induced pluripotent stem cell) : 이미 분화된 체세포를 역분화시켜 제작한 우리 몸을 구성하는 모든 세포로 분화할 수 있는 능력을 가진 만능줄기세포

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

’을 개발했다. 이는 세포를 제거한(탈세포) 뇌의 세포외기질(extracellular matrix) 세포외기질(extracellular matrix) : 세포와 세포 사이의 공간을 채워줌으로써 조직의 구조를 형성하고 지지하는 역할을 담당하는 단백질 성분

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

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.

 

 

 

 

 

 

 

 

[붙임] 1. 연구추가설명, 2. 그림설명, 3. 연구진 이력사항

 

연 구 추 가 설 명

 

논문/

저널/

저자

Microfluidic device with brain extracellular matrix promotes structural and functional maturation of human brain organoids / Nature Communications (2021)

Ann-Na Cho, Yoonhee Jin, Yeonjoo An, Jin Kim, Yi Sun Choi, Jung Seung Lee, Junghoon Kim, Won-Young Choi, Dong-Jun Koo, Weonjin Yu, Gyeong-Eon Chang, Dong-Yoon Kim, Sung-Hyun Jo, Jihun Kim, Sung-Yon Kim, Yun-Gon Kim, Ju Young Kim, Nakwon Choi Eunji Cheong, Young-Joon Kim, Hyunsoo Shawn Je, Hoon-Chul Kang, Seung-Woo Cho

연구내용

보충설명

치매·간질·파킨슨병 등 뇌 질환으로 수많은 사람들이 고통받고 있지만 정확한 기전은 알려지지 않았다. 뇌질환을 정복하려면 뇌 기능 및 작용을 모사하는 모델이 필요하다. 그러나 동물의 뇌는 사람의 뇌와 구조, 기능, 복잡성에서 차이가 크다. 그렇다고 사람의 뇌를 직접적인 연구대상으로 삼기도 어렵다. 인간 뇌 구조 발달 및 기능을 구현한 ‘뇌 오가노이드’ 기술이 각광받는 이유다. 

하지만 기존 뇌 오가노이드 배양 방식은 여러 한계가 있었다. 실제 뇌의 미세환경과 다르고, 오가노이드 중심부까지 산소 및 영양분 공급이 어려웠다. 그래서 제작된 결과물도 태아의 뇌 발달 수준에 머무를 수밖에 없었다.

본 연구에서는 탈세포 뇌 조직 유래 세포외기질 성분을 포함한 ‘삼차원 하이드로젤’을 개발해 실제 뇌와 유사한 미세환경을 구현해냈다. 또한 ‘미세유체칩’ 기술도 적용하여 오가노이드 중심부까지 산소와 영양분 공급을 촉진시켰다. 이로써 기존 방식보다 월등히 크고 발달된 미니 뇌를 제작할 수 있는 ‘뇌 오가노이드 배양 플랫폼’을 구축하였다.

연구 이야기

[연구 과정] 연구진은 실제 뇌의 생화학적·물리적 환경과 유사한 배양지지체를 구현하고자 했다. 분석결과 탈세포 뇌 조직 단백질 성분이 실제 뇌 조직 특이적 세포외기질 단백질과 유사함을 확인하였다. 이에 착안해 가장 적합한 세포외기질 농도를 선별하여 ‘하이드로젤’ 소재를 제작했다. 

또한 오가노이드 내부의 혈관 부재에 따른 산소 및 영양분 공급의 한계를 극복하고자 했다. 이에 액체의 흐름을 정밀 조정할 수 있는 ‘미세유체칩’ 기술을 적용, 배양액의 흐름을 효과적으로 제어했다. 그 결과 기존보다 2배 큰 4~5mm 이상(최대 8mm)의 미니 뇌 제작에 성공하였다.

[어려웠던 점] 줄기세포로부터 뇌 오가노이드 형성을 유도하는 데 어려움이 많았다. 배양 기간이 매우 길고 복잡한 과정을 거쳐야 했기 때문이다. 

뇌 오가노이드 배양은 100일 이상 소요되는 경우도 많다. 따라서 반복 실험을 통한 우수 샘플 확보에 많은 시간이 걸렸다. 또한 배양의 효율성을 높이기 위해 다양한 농도의 하이드로젤을 시험해 최적 조건을 찾는 과정이 필요했다. 미세유체칩도 배양액이 흐르는 속도나 칩의 규격 등을 달리하며 다양한 환경에서 뇌 오가노이드의 배양 실험을 반복했다.

연구진은 이러한 다양한 조건과 변수들을 정확히 제어하여 뇌 오가노이드 발달을 촉진하는 최적의 미세환경을 구현했다. 특히 기존보다 큰 뇌 오가노이드의 구조, 유전체, 전기생리적 기능, 산소 및 영양분 분포를 분석하는 것이 매우 까다로웠다. 하지만 공동 연구팀과의 효율적 협력을 통해 극복할 수 있었다.

[성과 차별점] 기존 뇌 오가노이드 배양 지지체로 널리 이용되는 매트리젤은 뇌를 구성하는 단백질 성분과 달라, 실제 뇌와 유사한 미세환경을 제공하지 못한다. 안전성도 떨어지고 개체 차이로 인한 한계 문제도 있다. 또한 기존의 바이오리액터(반응기)는 배양액 흐름의 정밀 제어가 어려워 내부 세포 사멸을 방지하지 못했다. 본 연구에서는 뇌 조직 모사 하이드로젤과 미세유체 칩 기술을 융합하여, 이러한 한계들을 극복할 수 있었다.

[향후 연구계획] 이번에 개발한 뇌 오가노이드 배양 플랫폼을 난치성 뇌 질환 모델링에 활용하고자 한다. 현재 해당 플랫폼을 적용해 뇌질환 환자에서 유래한 유도만능줄기세포로부터 알츠하이머병, 파킨슨병, 뇌전증 등을 가진 뇌 오가노이드를 제작 중이다. 이로써 기존의 단순 세포주 및 동물모델에서 규명하기 어려웠던 뇌질환 기전을 밝힐 것으로 기대된다. 나아가 치료제 개발을 위한 후보 약물의 효능 및 부작용 평가에도 도움이 될 것이다.

 

 

그 림 설 명

 

 

 

[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.

 

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

 

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

 

연구진 이력사항

 

<조승우 IBS 나노의학 연구단 연구위원, 교신저자>   

 

1. 인적사항             

 ○ 소  속 : IBS 나노의학 연구단, 연세대학교 생명시스템대학 생명공학과

 

 

 

 

 

 

2. 경력사항

 ○ 2007 - 2010 : MIT 화학공학과 박사후 연구원

 ○ 2009 - 2010 : 하버드의대 소아병원 박사후 연구원

 ○ 2010 - 2013 : 연세대학교 생명공학과 조교수

 ○ 2013 - 2018 : 연세대학교 생명공학과 부교수

 ○ 2014 - 2016 : 연세의대 신경외과학교실 겸임교수

 ○ 2014 - 2019 : 강남세브란스 의생명융합센터 겸임교수

 ○ 2016 : 제9회 아산의학상 젊은의학자 부문 수상

 ○ 2016 - 2018 : 연세대학교 생명시스템대학 학부장

 ○ 2018 - 2019 : MIT 재료공학과 방문교수

 ○ 2018 - 현재 : 연세대학교 생명공학과 정교수

 ○ 2020 - 현재 : 연세대학교 생명시스템대학 부학장

 ○ 2020 - 현재 : 연세대학교 언더우드 특훈교수

 

 

 

 

 

 <조안나, 호주 맥쿼리 대학교 박사후 연구원, 제1저자> 

 

1. 인적사항

 ○ 소  속 : 연세대학교 생명공학과

 

 

 

 

 

2. 경력사항

 ○ 2020 : 연세대학교 생명공학과 박사후 연구원

 ○ 2020 - 2021 : 호주 시드니 대학교, 박사후 연구원

 ○ 2021 - 현재 : 호주 맥쿼리 대학교, 박사후 연구원

 

<진윤희, 연세대 생명공학과 연구교수, 제1저자> 

 

 

 

1. 인적사항

 ○ 소  속 : 연세대학교 생명공학과

 

 

 

 

2. 경력사항

 ○ 2014 - 2017 : 연세대학교 생명공학과 박사후 연구원

 ○ 2017 - 현재 : 연세대학교 생명공학과 연구교수

 

 

 

 

<안연주, 연세대 생명공학과 학생연구원, 제1저자>   

 

 

 

1. 인적사항

 ○ 소  속 : 연세대학교 생명공학과

 

 

 

2. 경력사항

 ○ 2020 - 현재 : 연세대학교 생명공학과 석박사통합과정