뇌 오가노이드, 뇌질환 신약 개발의 '가이드' 될 것인가
환자 줄기세포로 만드는 뇌 오가노이드, 질환 모델링 기술로 주목 받아
입력 2021.03.15 12:39
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사람의 뇌는 다양한 기능을 구현하는 세포와 세포 간 네트워크로 구성되어 있다.  이처럼 복잡한 네트워크에서 관찰되는 뇌-신경질환은 환경적, 유전적 등 여러 요인들의 작용으로 발생하는 것으로 알려지면서 이들 질환의 근본적 메커니즘을 이해하는 것이 신약 개발에 있어 가장 중요한 부분으로 여겨지고 있다.  뇌-신경계 연구는 최근 들어 급속도로 발전하고 있지만 다수의 신약 후보물질들이 임상 개발 단계에서 실패하는 등 아직까지 치료제 개발에 많은 어려움을 겪고 있다.  이런 상황에서 환자의 줄기세포를 기반으로 하는 뇌 오가노이드가 질환 모델링 기술로서 주목을 받고 있다.

이재철 성균관대학교 약학대학 교수는 '유도만능줄기세포 기반 뇌 오가노이드를 이용한 질환 모델링 연구' 제하의 한국분자세포생물학회(KSMCB) 웹진 기고에서 유전성 뇌-신경질환의 모델링을 위해 사용되고 있는 뇌 오가노이드에 대한 여러 접근법을 설명했다.

이재철 교수에 따르면 복잡한 뇌-신경 네트워크 이해를 위해 진행된 전장유전체연관분석연구(GWAS)는 뇌-신경 질환에 영향을 미치는 다양한 유전적 변이에 대한 정보를 제공하고 있다.  GWAS 데이터 기반의 질병 모델링은 유전 변이와 질환 사이의 상관 관계를 비교적 정밀하게 제시하면서 뇌-신경 질환의 메커니즘을 이해하는 필수적인 기술로 자리 잡고 있다.

GWAS 기반 모델링과 함께 새로운 뇌-신경 질환 모델로 환자 특이적인 유도만능줄기세포(iPSCs)를 활용하는 2D 뉴런 분화 및 뇌 오가노이드가 주목 받고 있다.  그 배경으로 설치류와 같은 질환 동물모델은 인간과 다른 뇌-신경 네트워크 구조 등으로 정확한 뇌 질환 표현형(phenotype) 구현이 어렵다는 점이 꼽힌다.  또한 실제 환자의 조직을 시료로서 사용하는 경우에도 환자 조직의 가용성과 윤리적 문제 등이 제기되고 있다.

이 교수는 뇌 오가노이드 기술이 기존의 배양 및 동물모델에서 볼 수 없었던 혁신적 접근 방식임은 분명하나 극복해야 할 몇 가지 한계점이 존재한다고 지적했다.  우선적으로 실제 인간 뇌의 복잡성과 재현성을 모두 충족하는 뇌 오가노이드를 제작하는 것은 어렵다는 점이다.  일례로 복잡성을 최대한 구현하고자 다양한 방식의 외부인자를 사용하는 제작 방식은 배치(batch) 간 큰 변동성을 유발한다.  이와 반대로 특정 부위만 모방하는 뇌 오가노이드의 경우 배치 간 높은 재현성을 얻지만 뇌의 복잡한 영역들을 적절하게 표현하지 못한다는 한계가 있다.

또 따른 한계는 뇌 오가노이드의 크기가 커지면서 발생하는 불충분한 산소 및 영양소 공급이다.  최근의 개발 프로토콜과 이에 따른 산소 및 영양소 공급방법은 뇌 오가노이드 중앙 부분까지 충분한 공급을 못하면서 조직 괴사를 유발하고 있다.  

이 교수는 뇌 오가노이드를 사용하는 질환 모델링이 "아직은 몇 가지 기술적인 한계로 인하여 모든 질환에 적용될 수 없으나 나노 기술, 생체 재료 등의 다양한 방식과의 접목을 통하여 이러한 문제점을 해결하기 위한 연구들이 진행되고 있다"며 "뇌 오가노이드 기술이 기존의 시스템을 통해 확인하지 못했던 뇌-신경 질환의 메커니즘을 규명하고 치료 타겟을 제시할 수 있을 것으로 기대한다"고 전했다.
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