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실험실에서 자라고 있는 뇌세포 클러스터를 맨눈으로 볼 수 없지만 과학자들은 이 미니-뇌가 신경질환의 비밀을 밝혀주고 신약 개발을 진전시켜줄 것으로 낙관하고 있다. 뇌 내부작용의 복잡성은 신경질환을 연구하는데 있어 가장 큰 도전이었다. 기본적으로 신경세포와 기타 세포로 구성된 작은 공으로 볼 수 있는 미니-뇌는 뇌 발달 초기 단계의 구조와 기능을 흉내 낼 수 있고 실험실에서 2~3개월 배양을 통해 완성된다. 이 미니-뇌는 유도만능줄기세포(iPSCs)로 만들어진다. 유전적 재프로그램을 통해 태아의 줄기세포처럼 성장하는 줄기세포로 뇌세포를 배양할 수 있다. 유사한 기술을 적용하여 미니-간, 미니-심장 등도 만들어지고 있다. 100개 이상의 대뇌 유사기관(cerebral organoids)을 동일한 용기에서 배양할 수 있고 대뇌피질과 같은 실제 인간 뇌의 여러 영역으로 발달할 수 있다. 예를 들어, 존스 홉킨스 대학에서 배양중인 미니-뇌는 네 종류의 신경세포와 두 종류의 지지세포로 발달하고 자발적인 전기생리학 활동을 보여 비침습적으로 의사소통을 관찰할 수 있다. 미니-뇌 배양에서 중요한 요소는 매번 동일한 기관을 만들어 표준화와 정확성을 보장하는 것이다. 미니-뇌의 유망한 응용분야 중에서 1차 목표는 신약 실험에서 실험용 쥐 및 기타 동물을 대체하는 것이다. 신약 개발 및 실험은 시간이 오래 걸리고 많은 비용이 드는 시행착오 과정이다. 현재 가장 초기 단계의 실험은 동물을 이용하여 진행하고 있다. 하지만 동물 실험에서 효과를 보인 신약의 97%가 인체 실험에서 실패하고 있다. 현재 뇌질환을 연구하기 위한 동물 모델은 부정확하기로 악명이 높다. 인간의 뇌는 독특하고 영장류 모델도 정확하게 인간의 뇌질환을 표현하지 못한다. 알츠하이머, 파킨슨, 자폐증, 소두증과 같은 질환을 완전히 이해하는 유일한 방법은 인간의 생체 세포를 이용한 모델로 연구를 수행하는 것이다. 시장에서 신약을 하루만 먼저 출시해도 제약회사는 100만 달러를 추가로 벌어들일 수 있기 때문에 경제적 측면만으로도 신약 개발에 큰 영향을 줄 수 있다. 뇌는 중요한 기관이기 때문에 모든 임상실험 약의 25%가 중앙신경계와 관련되거나 부작용을 검사하고 있는 것은 물론이고 살충제 및 기타 약물에서도 필수 검사 과정이다. 미니-뇌의 가장 큰 장점은 잠재적 응용분야의 광범위성이다. 사실상 거의 모든 신경질환에 사용할 수 있기 때문에 이를 이용한 연구팀은 이미 지카, 자폐증은 물론이고 희소병에서도 진전을 거두고 있다. 존스 홉킨스 세포공학연구소의 줄기세포 연구 책임자 송홍준이 주도하는 연구팀은 지카와 소두증의 연관성을 연구하는데 미니-뇌가 이상적인 것을 발견한 바 있다. 지노믹 메디신 연구소의 줄기세포 연구 책임자 앨리슨 르네토 무오트리는 자폐증, 지카, 코케인 증후군의 비밀을 푸는 성과를 기록했다. 발달단계에서 언제 의식이 처음으로 등장하는지를 알기 위해 미니-뇌를 이용하여 인간과 영장류의 뇌 발달을 비교하고 있다. 결과적으로 어떻게 인간의 뇌가 현재 상태로 진화한 것을 이해한다면 언제 오류가 발생하여 신경질환이 생기는지 알 수 있어 더 나은 치료법을 설계할 수 있다. 미니-뇌 모델과 유전자 시퀀싱을 이용한 무오트리 연구팀은 자폐성 장애에서 공통으로 나타나는 분자 및 세포상의 병리학적 원인을 성공적으로 규명했다. 자폐스펙트럼장애(ASD)의 20% 정도에서 대두증(macrencephaly)이 나타나는데, 발달 초기에 신경세포 성장이 비정상적으로 과도해서 나타나는 것으로 ASD의 첫 번째 임상적인 증거로 간주한다. 연구팀은 미니-뇌 모델을 이용하여 효과적으로 ASD를 치료할 수 있는 방법을 연구하고 있고 동물 모델조차 존재하지 않는 코케인 증후군 연구에는 미니-뇌가 중요한 역할을 한다. 이런 성공사례에도 불구하고 미니-뇌는 아직 동물 모델을 전부 대체할 수 없다. 미니-뇌의 세포 수가 2~3만 개에 다다르면, 성장이 중단되기 때문에 매우 초기 단계의 뇌만 재현할 수 있다. 적절할 프로토콜과 조건을 찾아 더 큰 뇌로 성장시키는 것이 미해결 문제다. 그리고 여전히 신기술이기 때문에 다른 연구팀에서 다른 프로토콜을 사용하여 더 성숙한 단계에 도달할 수도 있을 것이다. 그러나 10년 전만 해도 불가능할 것으로 생각된 이 신기술을 통해 신경과학 연구를 더 효과적으로 수행할 수 있게 되었다. |
