Tiny caps can measure activity in lab-grown minibrains

실험실서 배양한 ‘미니 뇌’ 활동 측정 장치 개발돼…뇌 질환 치료에 도움 전망

실험실에서 배양한 ‘미니 뇌’의 활동을 측정할 수 있는 초소형 장치가 개발됐다. 이로써 과학자들은 화학물질과 약물이 인간의 뇌에 영향을 주는 방식에 관한 이해를 높일 수 있을 것으로 기대된다.

‘뇌파(EEG: electroencephalogram) 캡(cap)’을 이용해서 인간의 뇌에서 발생하는 전기신호를 기록하듯 소형 캡을 이용해서 실험실에서 만들어진 초소형 인간 뇌 모델들의 활동을 측정할 수 있게 됐다.

여기서 말하는 미니 뇌는 실험실에서 배양한 살아있는 세포의 3차원 집합체인 ‘오가노이드(organoid, 또는 오르가노이드)’다. 미니 장기란 뜻인 오가노이드는 인체 장기의 구조와 기능을 시뮬레이션하기 때문에 연구원들은 이것을 통해 장기의 발달 과정을 관찰할 수 있다. 연구원들은 바이러스를 이용해 오가노이드의 유전자를 수정하거나 이것을 화학물질에 노출해서 그런 과정을 거치지 않은 기본적인 오가노이드와 비교하며 변화 양상을 연구하기도 한다.

지금까지는 과학자들이 뇌 오가노이드를 연구할 때 세포 몇 개를 살펴보는 수준을 넘어서지 못했다. 뇌 오가노이드의 모양은 둥그런 구형(球形)이지만 뇌의 전기활동을 측정할 전극이 포함된 미세전극 어레이 플레이트(microelectrode array plate)처럼 연구에 사용하는 기존의 도구들은 모두 납작한 모양이기 때문이었다.

하지만 존스홉킨스대학 연구팀이 이번에 개발한 새로운 마이크로캡(microcap)은 모자처럼 뇌 오가노이드를 감쌀 수 있어서 오가노이드의 전체 표면을 3차원으로 기록할 수 있다. 이런 식으로 확보한 이전보다 상세한 정보를 통해 과학자들은 뇌의 작용에 관한 이해를 높일 수 있을 것으로 기대된다. 이 장치를 사용하면 약물 검사 중에 뉴런이 어떻게 소통하는지 관찰할 수도 있다.

최근 과학 저널 <사이언스 어드밴시스(Science Advances)>에 발표된 논문 설명에 따르면 마이크로캡은 부드럽고 유연하며 투명한 폴리머 셸이며 금선(gold wire)과 접촉 패드를 포함하고 있다. 마이크로캡은 세포 배지에 넣으면 부풀어 오르면서 크기가 0.5mm에 불과한 오가노이드를 감싼다.

이번 연구의 저자 중 한 사람인 데이비드 그라시아스(David Gracias) 존스홉킨스 대학 생명화학공학과 교수는 이 기술이 연구원들이 오가노이드를 관찰하는 데 도움을 주는 건 물론이고 화학물질이 뇌 발달 문제를 초래하지 않고 인간에게 안전할 수 있도록 연구할 때 동물 실험 대신 선택할 수 있는 더 저렴하고 더 윤리적인 대안이 될 수 있을 것이라고 말했다.

그는 “수많은 화학물질이 뇌 질병과 관련되어 있지만 그들을 손쉽게 연구할 수 있는 방법은 없다”며 “화학물질 하나를 검사하는 데 동물실험을 이용하면 100만 달러 이상이 필요할 수 있고, 동물실험에는 윤리적 우려도 뒤따른다”고 말했다.

마이크로칩에서 아이디어를 얻은 마이크로캡은 다양한 크기의 오가노이드에 느슨하게 또는 더 꼭 맞도록 맞춤 제작될 수 있기 때문에 다양한 발달 단계에 있는 오가노이드의 전기활동을 측정할 수 있다.

마이크로캡이 오가노이드 하나에 효과가 있다는 것을 증명한 연구팀은 실험을 확장할 계획이다. 연구팀은 100개의 오가노이드를 만들 생산 라인을 마련해 오가노이드 100개를 한 번에 테스트할 것이다. 이 오가노이드들은 나중에 마이크로칩이나 다른 오가노이드와 연결될 수 있다. 뇌과학 분야의 다른 연구원들도 서로 연결된 오가노이드를 사용하여 자폐, 알츠하이머병, 파킨슨병 등 다양한 뇌 질환에 대한 약물 및 잠재적 치료법을 연구할 수 있을 것이다.

그라시아스는 “많은 사람들은 뇌를 우리가 이해하지 못한 미지의 영역으로 생각한다. 우리는 뇌를 컴퓨터와 연결하거나 서로 연결하는 것을 생각해왔다. 미니 뇌를 하나 만들 수 있다면 미니 뇌끼리 서로 연결하는 것도 가능하다. 이는 매우 흥미로운 일”이라고 덧붙였다. (By Rhiannon William)

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