실제 뇌기능 구현한 '오가노이드', 3D프린팅으로 개발

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미국 위스콘신대
연구팀이 인쇄한 뇌 조직을 3D 화면으로 재구성한 모습. Cell Stem Cell 제공.
실제 뇌처럼 세포들이 형성되고 연결되는 과정을 살펴볼 수 있는 3D 프린팅 기술이 나왔다. 뇌의 발달 과정과 신경질환 연구에 도움이 될 전망이다.

미국 위스콘신대 의대 연구팀은 3D 프린터와 하이드로겔 기술로 뇌 연구를 촉진할 수 있는 오가노이드 모델을 만들었다고 지난 1일 국제학술지 ‘세포 줄기세포’에 발표했다.

장기유사체인 오가노이드는 줄기세포를 이용해 인간의 장기를 모방한다. 과학자들은 3D 프린팅 기술로 뇌 조직을 모방하는 뇌 오가노이드를 만들고 있지만 실제 뇌를 재현하는 일은 매우 어려운 도전이다.

연구팀은 이번 연구를 통해 3D 인쇄 기술을 약간만 수정해도 인간의 뇌에서 일어나는 변화를 좀 더 잘 모방하게 된다는 점을 확인했다. 세포의 유형이나 세포의 정확한 위치를 조절할 수 없는 기존 오가노이드의 문제를 개선한 것이다.

연구팀은 다양한 뇌 세포 유형으로 발달할 수 있는 인간의 신경 및 신경교 전구세포를 각각 별도의 수평선으로 프린트했다. 또 접착제 역할을 하는 하이드로겔이라는 잉크를 이용해 세포들을 접착시켰다. 하이드로겔은 조직을 지지해주면서도 딱딱하게 만들지 않아 실제 뇌에서처럼 세포들이 움직이거나 연결되도록 돕는다.

연구팀은 다양한 세포 비율을 가진 구조체들을 프린팅했다. 한 구조체는 신경전달물질을 통해 의사소통을 하는 억제성 신경세포와 흥분성 신경세포를 결합한 형태였다. 신경세포의 활성을 돕는 성상세포도 만들었다. 연구팀이 만든 신경세포는 대체로 전기 신호를 생산했고 성상세포는 신경전달물질 글루타메이트를 흡수해 실제 뇌에서 일어나는 현상을 보였다.

연구팀이 뇌의 외부 피질과 선조체에서 볼 수 있는 두 가지 세포 유형을 결합했을 때는 피질 세포가 선조체 세포 쪽으로 돌기를 확장했지만 그 반대 현상은 일어나지 않으며 역시 인간의 뇌에서 볼 수 있는 현상을 보였다.

연구팀은 3D 프린팅 기술에 간단한 수정을 가하는 것만으로 뇌 세포 간에 적절한 연결성이 생긴다는 점에서 실제 뇌의 활동을 모방할 수 있다고 평가했다.

단 인쇄된 뇌 조직이 매우 얇다는 점에서 실제 뇌의 복잡성을 모방할 수 있는 수준은 아니다. 연구팀은 이 기술을 발전시키면 뇌의 발달 과정과 뇌질환 연구를 향상시키는데 도움이 될 것으로 보았다. 연구팀은 "신경퇴행성 질환 관련 돌연변이를 가진 세포를 인쇄했을 때 세포 간 연결성이 줄어든다는 점을 확인했다"며 "이번 기술은 개선의 여지가 많기 때문에 향후 인간의 뇌를 해독하는 데 도움이 될 것”이라고 말했다.