본교 생명공학과 조승우 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. 이번 연구성과는 조안나 박사와 진윤희 연구교수, 안연주 학생연구원이 주저자로 참여하여, 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 14.919) 온라인판에 8월 5일에 게재됐다.

뇌 연구를 위한 최적의 모델로 각광받는 ‘뇌 오가노이드(organoid)’는 유도만능줄기세포(induced pluripotent stem cell)를 배양하여 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 생체모사 기술로 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 조정하여 산소와 배양액을 중심부까지 효과적으로 공급하도록 했다.

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 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 되었다.

조승우 교수는 “생체모사 기술을 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.

• 논문명: Microfluidic device with brain extracellular matrix promotes structural and functional maturation of human brain organoids
• 저널명: Nature Communications 2021;12:4730

[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] 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. 

출처 : 생명공학과 홈페이지 https://biotech.yonsei.ac.kr/biotech/community/highlight.do?mode=view&articleNo=124544&article.offset=0&articleLimit=3​