바이오인

핵심내용

뇌신경질환 치료용 세포 배양 플랫폼 개발

- 뇌 조직 환경 모사해, 신경세포로의 분화 증진 -

□ 뇌신경질환 치료를 위해 신경세포를 생산하는 기술이 증진되어, 약물치료를 대체할 세포 치료제 개발에 다가갔다. 조승우 교수, 진윤희 박사, 이정승 박사, 강훈철 교수(연세대학교) 연구팀이 뇌 조직을 모사한 생체재료를 이용해 신경세포로의 리프로그래밍* 및 신경분화를 증진시켜 줄 세포 배양 플랫폼을 개발했다고 한국연구재단(이사장 노정혜)은 밝혔다.
   * 세포 리프로그래밍 : 유전자 및 화학물질을 통해 세포의 형질을 변화시키는 기술로서, 이미 분화된 세포를 줄기세포 및 다른 기능성 세포로 다시 분화시킬 수 있음.

□ 최근 뇌신경질환 환자에게 기능성 세포를 이식하는 세포 치료제가 많은 기대를 받고 있다. 그러나 아직까지 기능성 세포의 대량 확보와 세포 제작 효율, 세포의 치료 효능 등에서 많은 한계점이 있다.

□ 연구팀은 뇌 조직 특이적인 성분을 가공해 실제 뇌와 유사한 환경의 세포 배양 플랫폼을 개발했다. 화합물 및 일반적인 생체물질로 만든 기존의 세포 배양 기술과 비교할 때, 기능성 세포의 제작 효율이 획기적으로 증진되었다. 제작된 신경세포의 표현형과 기능이 실제 신경세포와 상당히 유사하다.

□ 또한 개발된 배양 시스템으로 기능성 신경세포를 제작했을 때 세포의 치료 효능도 개선되었다. 제작된 기능성 신경세포는 허혈성 뇌졸중 생쥐의 행동 및 운동능력을 크게 향상시켰다.

□ 조승우 교수는 “이 연구는 실제 뇌에 존재하는 복합적인 미세환경을 모사하여 기존 세포 분화 기술의 한계를 극복한 것”이라며, “향후 치료용 신경세포의 대량생산 기술에 적용되어 효과적인 뇌신경질환 세포 치료제 제작을 위한 중요 요소기술로 활용되길 기대된다“고 연구의 의의를 설명했다.

□ 이 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(중견연구) 및 바이오‧의료기술개발사업의 지원으로 수행되었다. 국제학술지 네이쳐 바이오메디컬 엔지니어링 (Nature Biomedical Engineering) 7월 11일자 논문으로 게재되었다.

상세내용

󰊱 주요내용 설명

□ 논문명, 저자정보

논문명
Three-dimensional brain-like microenvironments facilitate the direct reprogramming of fibroblasts into therapeutic neurons

주저자
조승우 교수(공동 교신저자, 연세대학교 생명공학과),
강훈철 교수(공동 교신저자, 연세대학교 의과대학, 소아과학교실), 진윤희 박사(공동 제1저자, 연세대학교 생명공학과),
이정승 박사(공동 제1저자, 연세대학교 생명공학과)

□ 연구의 주요내용

 1. 연구의 필요성
  ○ 전 세계적인 인구 고령화로 인해 뇌신경질환 환자가 급증하고 있지만 현재까지 효과적인 치료방법이 마땅치 않은 실정이다. 기능성 세포 이식을 기반으로 하는 세포 치료제는 현재 약물에 의존하는 치료법을 대체할 수 있는 방법으로 큰 각광을 받고 있으나 이를 위해서 기능적인 세포의 대량 확보 기술이 우선적으로 개발되어야 한다. 특히, 최근에는 기능성 신경세포 제작을 위해 줄기세포의 신경분화, 신경세포 리프로그래밍 기술 등과 관련한 많은 연구가 진행되어 왔으나 여전히 분화 효율 및 제작된 세포의 치료 효능에 있어 많은 한계점을 보이고 있다.
  ○ 기능성 신경세포의 생산을 위해서 기존에는 화합물이나 특정 세포외기질 성분(콜라겐, 피브로넥틴, 매트리젤 등)을 이용한 세포 배양 시스템이 주로 사용되었지만 이들은 일부 세포독성을 보이거나 세포 생존율, 분화 및 기능성을 향상시키는데 한계가 있었다. 신경세포로의 리프로그래밍 효율, 분화능, 성숙도를 증진시키고 궁극적으로는 신경질환의 세포치료 효능을 극대화하기 위해서는 실제 뇌에 존재하는 복합적인 조직 구성 성분들을 모사할 수 있는 세포 배양 시스템의 개발이 필요하다.

 2. 연구내용 
  ○ 뇌 조직 특이적인 성분을 가공하여 2차원 및 3차원의 세포 배양 플랫폼을 구축하고 이를 이용하여 피부세포로부터 신경세포를 유도하는 리프로그래밍 효율을 높임으로써 최종적으로는 뇌신경질환에 대한 세포치료 효능을 증진시키는 연구를 수행했다.
  ○ 제작된 뇌 조직 모사 세포 배양 플랫폼은 뇌 조직에 존재하는 복합적이고 다양한 조직 특이적 구성 성분들을 세포 리프로그래밍을 위한 배양 과정 동안 세포에게 효율적으로 제공할 수 있다.
  ○ 뇌 조직 모사 배양 시스템은 기존 리프로그래밍 기술에 적용되었던 단순 배양 시스템에 비해 신경 분화를 촉진시키고 신경세포 특이적인 유전자 및 단백질의 발현을 크게 증가시킨다. 특히, 제작된 유도신경세포는 실제 신경세포와 매우 유사한 수준의 전기생리학적 기능성이 확인되었다.
  ○ 신경세포 리프로그래밍은 실제 뇌 조직 환경과 보다 유사한 3차원 뇌 조직 모사 플랫폼에서 더욱 증진됨을 확인하였고 이는 세포 주변의 물리적 성질과 연관된 신호전달체계에 의해 활성화됨을 확인하였다.
  ○ 최종적으로 제작된 기능성 유도신경세포를 허혈성 뇌졸중이 유발된 마우스 뇌에 이식하였을 때 이식 후 8주에 걸쳐 세포가 이식부위에서 잘 생존했다. 특히 3차원 플랫폼에서 제작된 세포를 이식한 실험군에서 행동능력이 크게 향상되어 가장 우수한 치료 효능이 검증되었다.

 3. 연구성과/기대효과
  ○ 이 연구에서 개발된 조직 특이적 세포 배양 시스템은 실제 뇌에 존재하는 복합적인 세포외기질 및 단백질로 구성된 생화학적 미세환경을 모사할 수 있기 때문에 유도신경세포의 분화 및 기능성을 극대화시키고 뇌신경질환 세포치료의 효능을 증진시킬 수 있다.
  ○ 따라서 뇌 조직 모사 세포 배양 시스템은 기능성이 뛰어난 치료용 신경세포의 대량생산 기술에 적용되어 효과적인 뇌신경질환 세포 치료제 제작을 위한 중요 요소기술로 활용될 수 있을 것으로 예상된다. 또한, 개발된 조직 모사 기술은 뇌 조직 뿐 아니라 다양한 조직에도 적용되어 줄기세포 치료 및 리프로그래밍 기술의 적용을 크게 확장시킬 수 있을 것이며 조직공학적인 용도로도 활용이 가능할 것이다.

󰊲 그림 설명

(그림1) 뇌 조직 모사 세포 배양 플랫폼을 이용한 유도신경세포 리프로그래밍 모식도

(그림2) 기존 배양 시스템과 이 연구에서 개발된 뇌 조직 모사 배양 시스템의 비교 분석
(A) 각 시스템에서 제작된 유도신경세포의 특이적 단백질(Tuj1, MAP2) 발현 확인. 개발된 뇌 조직 모사 시스템에서 신경세포 리프로그래밍 효율이 증진됨.
(B) 각 시스템을 이용하여 제작된 유도신경세포의 특이적 유전자(Tuj1, Map2, NeuN, Syp) 발현 확인. 개발된 뇌 조직 모사 시스템에서 신경세포 분화가 가장 향상됨.

(그림3) 리프로그래밍을 통해 제작된 유도신경세포의 허혈성 뇌졸중 치료 효능 확인
(A) 뇌 조직 모사 시스템을 이용하여 리프로그래밍된 기능성 유도신경세포를 허혈성 뇌졸중 동물모델에 적용함.
(B) 이식된 신경세포(CFDA)의 생착능을 확인하고 신경세포 특이적 단백질(MAP2) 발현을 통해 표현형 유지를 확인함.
(C, D) 세포치료 후 (C) 균형유지 시간 및 (D) 악력 측정을 통한 행동능력 분석 결과, 이 연구에서 개발된 배양 시스템을 통해 리프로그래밍된 유도신경세포(1, 2)가 뇌졸중 치료 효능이 가장 뛰어남.

󰊳 연구 이야기

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

세포 리프로그래밍은 다양한 조직을 구성하는 기능성 세포 제작을 위해 많은 각광을 받고 있는 기술로 리프로그래밍 효율 및 제작 세포의 기능성을 극대화하기 위한 많은 연구가 진행되고 있다. 특히 최근에는 실제 조직과 유사한 환경을 제공하여 줄기세포의 분화 및 기능성을 증진시키는 연구가 주목받고 있는데, 실제 뇌 조직 유래의 성분들을 이용하면 좀 더 조직 특이적인 미세환경을 모사하고 궁극적으로는 기능성 세포 제작의 효율을 높일 수 있지 않을까 하는 궁금증을 가지게 되어 연구를 시작하게 되었다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

이 연구는 생명공학과 의학이 융합된 연구이다. 조승우 교수 연구팀과 강훈철 교수 연구팀은 오랜 공동연구 및 교류를 통해 각자의 기술을 잘 이해하고 있으며 이를 통해 기존의 신경세포 리프로그래밍이 가지는 문제점을 극복할 수 있는 방법을 고안해낼 수 있었다. 다양한 기능성 생체재료 및 조직 유래 물질의 가공 기술 개발 경험을 바탕으로 신경세포 리프로그래밍을 위한 뇌 조직 모사 시스템을 성공적으로 구축할 수 있었고, 세포 기능성 분석, 표현형 분석, 동물 행동분석 등을 통해 제작된 유도신경세포의 치료 효능 및 임상적용 가능성을 입증하였다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

우리 연구실에서는 다양한 줄기세포의 분화 조절 연구를 많이 진행해왔지만 실제 신경세포와 유사한 수준의 기능성과 표현형을 가지는 세포를 제작하고 이를 확인하기 위해서 다양한 생화학적 분석법과 고도의 숙련된 기술이 필요했다. 또한 개발한 시스템의 뛰어난 효능과 재현성을 확인해달라는 논문 심사자들의 요구가 있었다. 수많은 반복 실험을 진행하면서 많은 시간과 노력이 필요했다. 인내심을 가지고 서로가 최선을 다한 결과, 좋은 연구성과를 얻을 수 있었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

기존에 기능성 신경세포의 생산을 위해 화합물이나 특정 세포외기질 성분(콜라겐, 피브로넥틴, 매트리젤 등)을 이용한 세포 배양 시스템이 사용되었지만 이들은 일부 세포독성을 보이거나 세포의 생존율, 분화 및 기능성을 향상시키는데 한계가 있었다. 더욱 중요하게도 이런 기존 시스템들은 실제 뇌에 존재하는 복합적인 조직 구성성분들을 모사하지 못하였기 때문에 신경세포 리프로그래밍 효율, 분화능, 성숙도 증진에는 한계가 있었다. 하지만 이 연구에서 개발된 뇌 조직 모사 시스템은 뇌 조직과 유사한 미세환경을 세포에 제공함으로써 신경세포 리프로그래밍 및 분화 효율을 극대화하고 궁극적으로는 이를 이용한 뇌졸중 질환에 대한 세포치료 효능까지 검증할 수 있었다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

개발된 뇌 조직 모사 신경세포 리프로그래밍 시스템은 뇌신경질환 세포치료제 제작을 위한 중요 요소기술로 활용될 수 있을 것으로 예상된다. 또한, 이 연구에서 개발된 조직 모사기술은 뇌 조직뿐 아니라 다양한 조직에도 적용되어 줄기세포 치료 및 리프로그래밍 기술의 적응증을 크게 확장시킬 수 있을 것이다. 개발된 기술의 최종적인 실용화를 위해서는 조직유래 구성물의 변형 방지 및 균일한 품질관리가 원활하게 이루어져야 할 것이다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

세포 리프로그래밍을 통한 기능성 세포의 제작 및 이의 임상적용 가능성에 대한 연구는 아직까지 더 많은 연구가 필요한 상황이다. 이 연구에서 개발된 기술을 바탕으로 신경뿐 아니라 심장, 근육, 골, 간 세포 등 다양한 세포로의 리프로그래밍 효율을 증진시키는 기술을 개발할 예정이며 나아가 제작된 기능성 세포의 질환 치료 가능성에 대해 검증하는 후속 연구를 진행할 예정이다.

☞ 자세한 내용은 내용바로가기 또는 첨부파일을 이용하시기 바랍니다.