뇌 신경 회로망, 이제 실험실에서 배양한다(바이오마이크로 최낙원 박사, 치매DTC 허은미 박사)

KIST 뇌과학연구소, 뇌 신경망 재구성을 위한 3차원 플랫폼 개발
3차원 체외 환경에서 뇌 안에 있는 해마 신경 회로망의 구조 및 기능을 구현

 

최근 국내 연구진이 많은 신경 회로망들이 복잡하게 연결된 뇌 조직을 실제 세포 배양에 쓰이는 생체재료(3차원 체외환경) 내에서 구현하는 기술을 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 뇌과학연구소 최낙원 박사, 허은미 박사 팀으로 구성된 공동 연구팀은 콜라젠 섬유를 특정 방향으로 정렬할 수 있는 기술을 세계 최초로 개발하여 콜라젠 내에서 신경세포를 3차원 배양할 때 세포 축삭*의 성장 방향을 유도할 수 있도록 하였다.
*축삭 : 신경 세포(뉴런)의 세포체에서 길게 뻗어나온 가지로, 활동 전위를 전달하는 역할을 함. 축색돌기, 축색이라고 함

본 공동 연구팀은 이 기술을 적용하여 뇌 안에 있는 해마의 CA3, CA1**에서 추출한 신경세포들이 정렬된 콜라젠 섬유를 따라 분화, 성장하면서 시냅스를 형성하는 CA3-CA1 신경 회로망을 재구축하는데 성공하였다. 또한, 이 신경 회로망이 구조적 연결성뿐만 아니라 기능적 연결성도 갖추었음을 실험적으로 증명하였다.
**CA3, CA1 : 대뇌변연계의 양 쪽 측두엽에 존재하는 해마 내 부위이며 학습과 기억을 담당

우리 몸 안의 여러 장기 및 조직은 세포와 세포 이외에 다양한 요소들이 흔히 특정 방향으로 정렬되어 있는데, 이것은 구조적인 속성을 부여하여 생물학적 기능이 작동되도록 하기 위한 것이다. 조직공학 측면에서 보자면, 체외 환경에서 장기 또는 조직을 새롭게 만들어 내고자 할 때 세포의 방향성을 구현하고 조절할 수 있다는 것은 조직의 외형적 구조뿐만 아니라 기능도 모사할 수 있다는 것을 의미한다. 본 연구 성과는 실제 세포 배양에 쓰이는 생체재료(3차원 체외 환경) 내에서 방향성 구현이라는 난제를 해결하고, 특히, 해부학적으로 뚜렷하게 구별되는 많은 신경 회로망들이 서로 복잡하게 연결된 뇌 조직을 체외환경에서 재구축했다는 것에 큰 의미가 있다.

이번 연구 결과를 통해 최낙원 박사는 “정상적인 신경 회로망뿐만 아니라 알츠하이머 병, 파킨슨 병 등 비정상적인 질병 상태의 신경 회로망까지 재구축하는 데 적용될 수 있다.”고 말했다. 또한, 허은미 박사는 “이번 기술을 환자 유래 줄기세포 기술과 융합한다면 다양한 뇌질환/장애와 신경 회로망의 기능 장애와의 연관성을 이해하는데 한 발짝 더 다가갈 수 있을 것”이라고 전망했다.

[그림 2] 투명한 탄성 고분자인 PDMS 기판을 미리 당기거나 (pre-stretch), 눌렀다 (pre-compression) 놓으면서 콜라젠 하이드로젤을 굳히면, PDMS가 변형되었다 복원되는 방향과 직각 (파란색, 위) 또는 평행한 (빨간색, 중간) 방향으로 콜라젠 섬유가 일괄 정렬하게 되고, 이를 따라 정렬된 축삭의 구조가 서로 다른 뇌 부위를 기능적으로 연결하게 됨

KIST 뇌과학연구소 내 바이오마이크로시스템연구단 최낙원 박사와 신경과학연구단 / 치매DTC 융합연구단 허은미 박사 공동 연구팀은 UST(과학기술연합대학원대학교) 전공 교원으로 KIST 스타 포스닥 김소현 박사(현재 SK 바이오팜 재직), 임선경 박사(신경과학연구단/치매DTC융합연구단), 그리고 선임연구원 오수진 박사(신경과학연구단/치매DTC융합연구단/신경교세포연구단)와 함께 UST 학생을 포함하는 국내 연구자들로만 구성된 팀의 공동 연구를 통해 독자적으로 이루어낸 성과이기에 그 의미가 더욱 크다. 또한, Nature Communications 부편집자 Amos Matsiko 박사는 해외 리뷰 학술지인 Nature Reviews Materials에 이번 연구 결과를 Research Highlight(연구 하이라이트)로 2017년 2월 21일경 소개할 예정이다.

 

이번 연구는 미래창조과학부(장관 최양희) 뇌과학원천기술개발사업과 KIST Young Fellow 사업, 미래선도형융합연구단 사업의 지원으로 수행되었으며, 연구 결과는 저명한 국제 학술지인 네이쳐 커뮤니케이션즈 (Nature Communications, (IF : 11.329))에 2월 1일자 온라인 판에 게재되었다.

 

* (논문명) Anisotropically organized three-dimensional culture platform for reconstruction of a hippocampal neural network
        - (공동 1저자) 김소현, 임선경, 오수진
        - (공동 교신 저자) 최낙원, 허은미