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2013년 8월 30일 금요일

3차원으로 배양된 미니어처 뇌



 오스트리아 과학 아카데미 (Austrian Academy of Sciences (OeAW)) 의 분자 바이오테크놀로지 연구소 (Institute of Molecular Biotechnology (IMBA)) 의 연구팀이 사람의 유도 만능 줄기 세포 (induced pluripotent stem cell (iPSC)) 를 이용한 3차원 세포 배양 (3D cell culture) 을 통해 작은 미니어처 뇌를 만드는데 성공했다고 최신자 Nature 에 발표했습니다. 


 연구의 리더인 유르겐 크노블리흐 박사 (Dr. Jurgen Knoblich, Institute of Molecular Biotechnology ) 와 그의 동료 연구자들은 인간의 유도 만능 줄기 세포를 흔히 볼 수 있는 세포 배양 방식인 평면 배양 방식 - 한층으로 세포가 증식하면서 자라는 것으로 우리가 알고 있는 조직과는 다른 형태 - 로 자라는 대신 실제 조직과 유사하게 3차원 구조로 배양하는 새로운 방식을 개발했습니다. 


 이들이 선택한 방법은 조그만 신경 외배엽 (neuroectoderm) 조각들을 산소와 영양분이 공급될 수 있는 특수한 겔 (gel) 속에 넣어서 배양하는 것으로 일단 어느 정도 자란 후에는 배양 조직은 회전 생물 반응기 (spinning bioreactor) 로 옮겨져 배양되었습니다. 


 15 일에서 20 일이 지난 후 이 배양 조직은 조그만 장기 비슷한 수준으로 자라났는데 연구팀은 이를 대뇌 유시 기관 (cerebral organoid) 라고 불렀습니다. 이 배양 조직은 신경 상피 (neuroepithelia) 가 연결된 것으로 뇌실 (cerebral ventricle) 을 연상 시키는 가운데 액체로 된 빈공간을 에워싸고 있습니다. 20 - 30 일 정도 지난 뒤 배양 뇌조직은 신경계의 여러 조직 - cerebral cortex (대뇌피질), retina (망막), meninge (수막),  choroid plexus (맥락총) - 으로 분화했습니다. 


 2 달이 지난 후 이 미니어처 뇌는 최대 크기에 도달했지만 회전 생물 반응기 안에서만 생존이 가능했으며 최대 10 개월 정도 살아남았습니다. 수 밀리미터 이상 자랄 수 없는 이유에 대해서 연구팀은 이 유사 뇌조직이 혈관 시스템을 포함한 순환계를 가지고 있지 않기 때문으로 보고 있습니다. 사실 이는 인공 장기를 만들어 내는 데 있어 가장 큰 장애 가운데 하나라고 하겠습니다. 혈액 순환 시스템 없이 단순 확산에 의해 산소와 영양분을 공급 받고 노폐물과 이산화탄소를 배출할 수 있는 크기는 한계가 있기 때문이죠. 



(이번 연구에서 배양한 미니어처 뇌     
A cross-section of an entire organoid showing development of different brain regions. All cells are in blue, neural stem cells in red, and neurons in green. (Credit: Copyright IMBA/ Madeline A. Lancaster))


 아무튼 뇌는 보통 이식 대상 장기가 아니기 때문에 장기 이식 관련해서는 기대할 만한 부분은 없지만 대신 다른 부분에서 광범위한 응용이 기대되고 있습니다. 예를 들어 쥐 대신 사람 뇌를 흉내낸 미니어처 뇌를 이용해서 약물 실험 및 동물 실험을 한다거나 혹은 뇌와 관련된 연구 모델을 구축하는데 도움을 받을 수 있습니다.


 연구팀은 소뇌증 (microcephaly) 이 있는 환자의 피부에서 iPS cell 을 얻은 후 이를 이용해 미니 뇌를 만들었습니다. 그 결과는 예상했던 대로 보통보다 작은 크기의 미니 뇌가 얻어졌습니다. 이를 분석한 결과 연구팀은 소뇌증이 있는 경우 뇌세포가 조기에 분화하는 것이 아닌가 하는 간접적인 정보를 얻을 수 있었다고 합니다. 이와 같이 여러 질환의 메카니즘 연구에 있어 앞으로 이 미니어처 뇌가 여러가지 역할을 할 수 있을 것으로 기대할 수 있습니다.


 이 미니 뇌가 생각까지 할 수 있는지는 알 수 없지만 뇌세포의 활동이 감지되기는 했다고 합니다. (아래 동영상 ) 혹시 미래에 진짜 생각까지 할 수 있는 뇌가 배양기에서 탄생한다면 어떤 일이 발생할지 궁금해 지는 부분입니다.









 참고 


Journal Reference:

  1. Madeline A. Lancaster, Magdalena Renner, Carol-Anne Martin, Daniel Wenzel, Louise S. Bicknell, Matthew E. Hurles, Tessa Homfray, Josef M. Penninger, Andrew P. Jackson, Juergen A. Knoblich. Cerebral organoids model human brain development and microcephalyNature, 2013; DOI: 10.1038/nature12517





       

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