과학자들, 최초의 완전 합성 뇌 조직 배양 성공

UC Riverside 연구팀, 동물 유래 성분 없는 뇌 유사 조직 배양

연구실에서 뇌를 연구하는 방식을 재편할 수 있는 획기적인 발전으로, UC Riverside의 연구원들은 완전히 합성 물질로 만들어진 지지체 위에서 기능하는 뇌 유사 조직을 배양했다고 보고했다. 이번 연구는 흔히 사용되는 동물 유래 코팅제와 세포외 기질 추출물을 화학적으로 중성인 폴리머로 대체하며, 이 폴리머의 물리적 구조만으로 인간 기증자 세포가 신경망을 형성하도록 유도한다. 이 접근 방식은 신경학적 테스트를 더 제어 가능하고 오래 지속되게 하며, 동물 모델에 대한 의존도를 낮추는 것을 목표로 한다.

지지체 제작 방식

연구팀은 세포 부착에 대해 보통 비활성인 널리 사용되는 생체 적합성 폴리머인 폴리에틸렌 글리콜(PEG)로 지지체를 제작했다. 흔히 동물 조직에서 추출되는 표준 보충제인 라미닌(laminin)이나 피브린(fibrin)과 같은 생물학적 리간드를 추가하는 대신, 연구진은 PEG를 질감이 뚜렷하고 서로 연결된 다공성 미로 형태로 재구성했다. 기공에 주입된 세포는 산소와 영양분에 접근할 수 있으며, 결정적으로 성숙해지면 전기적으로 소통하는 뇌 유사 클러스터로 조직화된다.

이러한 다공성 미세 구조를 만들기 위해 연구진은 흐름 기반 제조 단계를 사용했다. 물, 에탄올, PEG 용액을 중첩된 유리 모세관을 통해 펌핑하여 혼합물이 외부 물 흐름과 접촉할 때 상 분리가 일어나도록 했다. 그런 다음 빛을 조사하여 분리된 구조를 고정함으로써, 기증자 신경 세포를 주입할 수 있는 안정적이고 고다공성인 지지체를 생성했다. 연구진은 세포가 반응하는 것이 생물학적 코팅이 아니라 바로 이 통제된 물리적 구조라고 말한다.

합성 경로가 중요한 이유

현재 대부분의 3차원 신경 배양 플랫폼은 화학적으로 복잡하고 배치(batch)마다 차이가 있으며 종종 동물 유래인 생물학적 추출물(예: 기저막 제제)에 의존한다. 이러한 변수는 실험 재현을 어렵게 만들고 연구 결과를 인간 의학으로 전환하려는 노력을 복잡하게 한다. 반면, PEG는 화학적으로 잘 정의되어 있고 비면역원성이어서, 이를 기반으로 구축된 지지체는 일관된 구성과 기계적 특성으로 제조될 수 있으며, 미세 구조가 적절히 최적화되면 세포 성장을 지원하기 위해 동물 유래 보충제가 필요하지 않다. 이러한 재료 특성 덕분에 PEG 하이드로젤은 수년 동안 신경 조직 공학의 기초적인 도구가 되어 왔다. 이번 연구는 내부 기하학적 구조를 맞춤화함으로써 PEG를 단순히 허용적인 수준을 넘어 신경 조직화를 유도하는 도구로 만드는 경로를 입증했다.

다른 뇌 모델과의 관계

지난 몇 년 동안 연구실에서는 감각 신호를 전달하는 회로를 재현하는 것을 포함하여 뇌 영역과 경로의 측면을 모델링할 수 있는 인간 줄기 세포 유래 신경세포의 자가 조립 클러스터인 오가노이드 및 어셈블로이드 기술을 놀라운 수준의 정밀도로 끌어올렸다. 이러한 시스템은 생물학적 매트릭스와 복잡한 프로토콜이 제공하는 생화학적 신호 및 세포 자가 조직화에 의존한다. UC Riverside의 지지체는 이를 보완한다. 생물학적 복잡성에 의존하는 대신, 안정적인 기증자 특이적 네트워크가 필요한 실험을 위해 재현성과 수명을 향상시킬 수 있는 물리적으로 정의된 플랫폼을 제공한다. 종합적으로, 이러한 접근 방식은 연구자들에게 생물학적 사실성, 실험적 제어, 그리고 동물 사용에 대한 윤리적 우려 사이에서 다양한 선택지를 제공한다.

잠재적 응용 분야 및 장점

연구진은 외상성 뇌 손상 및 뇌졸중 메커니즘 모델링, 기증자 특이적 세포에서의 알츠하이머와 같은 질병 과정 연구, 동물 조직 없는 신경 활성 약물 스크리닝 등 몇 가지 단기적 용도를 강조한다. 합성 지지체는 고정되어 있고 생화학적 분해가 덜 일어나기 때문에 신경 세포가 성숙해질 수 있도록 더 긴 실험을 지원할 수 있다. 이는 신경 질환의 많은 특징이 성숙한 신경세포에서만 나타나기 때문에 핵심적인 요구 사항이다. 연구팀은 또한 이것이 과학자들이 뇌와 다른 조직 사이의 상호작용을 통제된 방식으로 연구할 수 있도록 서로 다른 장기 모델의 네트워크를 조립하는 첫 번째 단계라고 보고 있다.

한계 및 확장으로 가는 길

현재의 지지체는 너비가 약 2밀리미터로 작으며, 연구진은 이 접근 방식이 더 크거나 복잡한 모델을 대체하기 전에 몇 가지 공학적 과제가 있음을 인정한다. 그중 가장 중요한 것은 관류(perfusion)이다. 더 큰 조직 구조물은 산소를 공급하고 노폐물을 제거하기 위해 통합된 혈관계나 효율적인 합성 채널이 필요하다. 장기 규모의 조직을 유지할 수 있는 혈관 네트워크를 설계 및 제조하고, 해당 네트워크를 합성 뇌 매트릭스에 연결하는 것은 여전히 활발한 연구 분야이다. 또한 면역 상호작용, 혈뇌장벽 생리학 및 기타 전신적 영향이 완전히 합성된 지지체에서 어떻게 모델링될 수 있는지에 대한 의문도 남아 있다.

윤리, 규제 및 동물 실험 감소의 가능성

실험 재현성 외에도, 합성 지지체는 동물 실험을 줄여야 한다는 윤리적 및 규제적 압박에 부응한다. 여러 관할 구역의 규제 기관과 자금 지원 기관은 약물 안전성과 효능을 위한 비동물 시험 시스템 개발을 장려하고 있으며, 정의된 합성 플랫폼은 반복 가능하고 인간 중심적인 시험대를 제공함으로써 이러한 전환을 가속화할 수 있다. 그럼에도 불구하고 규제 기관은 합성 모델에서의 반응이 인간의 결과를 예측한다는 것을 보여주는 신중한 검증을 기대할 것이며, 여기에는 시간과 교차 실험실 복제가 필요할 것이다.

향후 주목할 점

• 확장성 — 더 큰 구조물과 통합된 합성 혈관계 또는 관류 시스템의 시연.
• 기능적 검증 — 질병과 관련된 예측 가능하고 기증자 특이적인 행동을 보여주는 전기 생리학 및 약물 반응 연구.
• 플랫폼 간 비교 — 동일한 약물이나 손상에 대해 합성 지지체, 오가노이드 및 동물 모델을 직접 비교하는 테스트.
• 규제 기관과의 협력 — 규제 기관과의 초기 대화를 통해 전임상 파이프라인에서 합성 조직이 어떻게 사용될 수 있는지 정의.

UC Riverside 팀은 2020년에 이 프로젝트를 시작했으며 내부 스타트업 기금과 주 정부의 재생 의학 보조금으로부터 자금 지원을 받았다. 지지체 개념은 이미 연구팀이 합성 간 조직에 관한 관련 연구를 제출하도록 이끌었으며, 그들은 장기 수준의 배양물을 상호작용하는 시스템으로 연결하는 전략을 계속 추구하고 있다. 이러한 다음 단계가 성공한다면, 이 접근 방식은 연구자들에게 신경과학 및 약물 발견을 위한 새로운 종류의 인간 중심적이고 확장 가능한 조직 모델을 제공할 수 있을 것이다.

James Lawson은 Dark Matter의 과학 기술 전문 조사 기자이다. 그는 유니버시티 칼리지 런던(University College London)에서 과학 커뮤니케이션 석사 학위와 물리학 학사 학위를 받았으며 AI, 우주, 양자 기술 전반의 발전을 다룬다.