실험실에서 키운 뇌로 뇌 질환 연구

[요약] 독일 연구팀이 유전성 뇌 질환인 신경세포이동장애를 연구할 수 있는 뇌 오가노이드를 만드는 데 성공했다. 뇌 오가노이드는 실제 사람의 몸에서 떼어낸 세포를 분화시켜 뇌 조직처럼 만든 것으로, 뇌 질병을 연구하는 데 획기적인 도움을 줄 것으로 기대를 모으는 기술이다.(2019.03)

뇌는 인체에서 가장 복잡한 장기 중 하나다. 그 복잡성 때문에 구조와 기능을 연구하는 데 어려움이 많다. 결과적으로 아직까지 많은 뇌 질환에 대해 제대로 이해하지 못하고 있으며 적절한 치료법이 부족한 경우도 있다.

실비아 카펠로 독일 막스플랑크 정신의학연구소 그룹리더팀은 발달 장애 중 하나인 신경세포이동장애를 연구할 수 있는 뇌 모델을 만드는 데 성공했다. 신경세포이동장애는 지적장애와 뇌전증을 유발하는 질환이다. 신경세포이동장애가 생기면 뇌의 가장 바깥쪽의 피질이 비정상적으로 일그러지면서 신체적 장애가 나타나게 된다. 이 질병은 유전성 질병으로 뇌 발달 과정에서 뇌세포 이동이 방해를 받아서 발생한다.

연구팀이 이용한 것은 사람의 뇌 세포가 페트리접시 위에서 뇌와 유사한 구조를 이루도록 만든 뇌 오가노이드다. 뇌 오가노이드는 실험실에서 신경세포이동장애를 정교하게 연구할 수 있게 해 준다. 환자들에게서 얻은 세포를 이용해 만든 이 오가노이드를 분석한 결과 연구팀은 세포들이 형태학적으로 정상 세포와 다르며, 세포들의 이동 방식도 이상하다는 것을 발견했다. 특히 연구팀은 비정상 세포에서만 나타나는 분자적인 특징을 새롭게 발견했다. 환자 치료에 적용할 새로운 표적을 찾아내는 데 활용할 수 있을 것으로 기대되는 결과다.

지금까지 뇌 기능에 대한 많은 지식을 동물 실험을 통해 얻어왔다. 하지만 동물은 인간의 뇌와 다른 발달 과정을 거치기 때문에 한계가 있다. 일부 연구는 사람의 뇌를 통해 이뤄졌지만 사후 시신 기증에 의지하거나 추출된 세포를 배양해 실험했다. 사람의 뇌 조직은 얻기가 어렵고 동물의 뇌는 제한적으로만 사람의 뇌 모델로 활용할 수 있기 때문에 실제적인 뇌 연구를 하기 어려웠다. 따라서 연구자들은 사람의 뇌 질환을 연구할 수 있는 획기적인 모델을 찾아왔다. 뇌 오가노이드는 실제 뇌가 발달하면서 신경세포가 분화하는 방식을 그대로 보여준다는 점에서 연구자들의 기대를 모아왔다.

피부세포에서 줄기세포, 그리고 뇌세포로

이번 연구에서 연구팀은 환자의 피부세포를 기증받아서 뇌 오가노이드를 만들었다. 실비아 그룹리더는 “피부세포를 유도만능줄기세포로 바꾼 뒤 뇌세포로 분화하도록 만들었다”고 말했다. 이 세포가 다양한 종류의 뇌세포로 분화하면서 서로 상호작용하는 것을 관찰하면 실제 인간의 뇌에서 각 세포들이 어떻게 행동하는지를 연구할 수 있다. 카펠로 그룹리더는 “뇌 오가노이드는 뇌세포가 어떻게 작동하는지를 이전보다 훨씬 명확하게 알 수 있게 해 준다”고 말했다.

인간의 뇌 발달을 실험실에서 관찰할 수 있다는 것은 엄청난 가치를 가진다. 실제로 과학자들은 뇌 오가노이드를 이용해서 지카 바이러스와 알츠하이머, 자폐증에 대해 전보다 구체적으로 연구할 수 있었다. 특히 뇌 오가노이드는 각 환자의 세포로부터 만든 것이기 때문에 각 환자의 몸 안에서 어떤 일이 벌어지고 있는지를 구체적으로 연구할 수 있다. 카펠로 그룹리더는 “뇌 오가노이드 기술을 발전시키는 일은 발달장애와 신경질환을 구체적으로 이해하는 데 아주 중요하다”며 “새로운 치료법을 발견할 수 있는 큰 가능성을 가지고 있다”고 말했다.

이번 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 의학’ 3월 11일자에 발표됐다.