서론

뇌-신경 질환의 근본적인 메커니즘을 이해하는 것은 치료제 개발에 있어서 가장 중요한 문제이다. 사람의 뇌는 다양한 기능을 가진 세포와 이들간의 복잡한 network에 의하여 구성되어 있으며, 환경, 유전형 등 여러 요인들이 복잡하게 작용하여 뇌-신경질환이 발생하는 것으로 알려져 있다. 최근 급속도로 발전하고 있는 뇌-신경계의 다양한 연구에도 불구하고 아직까지 많은 뇌-신경 질환치료제의 개발에 어려움을 겪고 있으며, 이는 복잡한 뇌-신경 네트워크의 이해를 위한 다양한 접근법이 필요하다고 볼 수 있다 [1-2].
이러한 시도로 진행된 여러 genome-wide association studies (GWAS)연구는 뇌-신경 질환에 영향을 미치는 다양한 유전적인 변이를 보고 하였다. GWAS 데이터를 기반으로 한 질병 모델링은 유전 변이와 뇌 질환 사이의 상관 관계를 비교적 정밀하게 제시할 수 있었으며, 최근 뇌 질환의 메커니즘을 이해하는 필수적인 기술로 자리 잡았다 [3-4]. 이러한 시도와 더불어 최근 뇌-신경 질환 연구의 새로운 질환 모델로 환자 특이적인 유도만능줄기세포 (induced pluripotent stem cells, iPSCs)를 기반으로 하는 2D 뉴런 분화 및 뇌 오가노이드가 주목받고 있다. 일반적으로 질환 동물 모델은 유전적 돌연변이에 의해 유발되는 뇌-신경질환의 모델에 주로 사용되었으나, 설치류의 경우 인간과 다른 뇌-신경 네트위크 구조 및 발달 과정 등에 의하여 정확한 인간의 뇌 질환 표현형의 재현에 어려움이 보고 되고 있다 [5]. 또한 실제 환자의 조직 등의 시료를 사용하는 경우에도 환자 조직의 가용성, 조작의 어려움, 윤리적인 문제들이 제시되고 있다 [6].
이러한 문제점을 해결하기 위하여 환자의 iPSC를 기반으로 하는 2D 뉴런 분화 및 뇌 오가노이드가 그 대안으로 여겨지고 있으며 광범위한 연구가 진행되고 있다. 이번 리뷰에서는 여러 유전성 뇌-신경질환의 모델링을 위하여 사용되고 있는 뇌 오가노이드에 대한 여러 접근법에 대하여 다루도록 한다.

뇌 질환 연구를 위한 2D 분화 및 3D organoid 시스템

인간 iPSC를 사용한 뉴런 분화에 대한 첫 번째 연구는 2001년 Thomson 그룹에서 진행되었다 [7]. 해당 연구에서는 iPSC로부터 제작된 embryonic body (EB)에 fibroblast growth factor 2 (FGF-2)처리시 neural-tube를 형성하고 있는 neural rosette가 생성되는 것을 관찰하였다. 이후 여러 연구를 통하여 이러한 rosette가 ventricular radial glial cell, intermediate progenitor 및 outer radial glial cell등으로 둘러싸인 epithelial의 구조를 형성할 수 있는 것을 보여 주었으며, 이러한 구조는 인간의 뇌에서 볼 수 있는 ventricular zone (VZ) 및 subventricular zone (SVZ)과 유사함을 확인하였다 [8-9]. 이러한 분화 프로토콜은 점차 세분화되어 세로토닌 뉴런, 도파민 성 뉴런, 운동 뉴런, GABA 성 뉴런, 감각 뉴런 및 microglia 등의 특정 세포로 분화되는 프로토콜들이 확립되었다.
이와 같은 2D 배양 기반의 다양한 분화 기술은 기존의 뇌-신경질환의 메커니즘을 이해하는데 많은 기여를 했지만, 인간 뇌의 복잡성을 파악하는 데는 한계가 있었다. 특히 2D 기반의 배양기술은 뇌의 특정 영역만을 재현할 수 있으며, 이는 다양한 신경세포들의 네트위크를 파악하기에는 어려움이 있었다. 무엇보다 2D 배양을 위해서는 인위적인 세포 외 기질 (extra cell matrix, ECM)을 코팅할 필요가 있었으며, 이에 따른 세포와 ECM간의 상호작용은 실제 조직에서 보여주는 세포-세포 상호작용과는 일부 상이한 특성을 보이고 있다.
이러한 점을 극복하기 위하여 intestinal (내배엽) 및 kidney (중배엽) 오가노이드등의 기존에 개발된 분화 기술을 참조하여 뇌 오가노이드 기술이 개발되었다. 단지 내배엽/중배엽의 오가노이드와는 다르게 뇌 (외배엽)오가노이드는 성장신호인자(growth factor)를 제거로 부터 시작됨이 알려졌다. 일반적으로 뇌 오가노이드 분화는 패턴화 방식에 따라 두가지 접근법을 보인다. 먼저 외부의 조절 인자를 최소화 하는 방법으로 이를 통하여 self-guided 오가노이드 형태를 제작하는 방법이다. 다른 방법으로는 외인성 페터닝 방법으로 BMP, FGF, Nodal 및 Sonic Hedgehog등의 외인성 인자들을 추가하여 원하는 특정 영역의 오가노이드를 제작하는 방식이다 [10]. Self-guided 오가노이드의 경우는 Knoblich 그룹에서 처음 시도되었으며, 3D neuroepithelial spheroids를 matrigel에 embedded시킨후 hypoxia 및 spinning 환경에서 제작하는 방식으로 실제 인간 뇌의 발달 과정을 모방하였다 [11]. 외인성 페터닝 방법은 Sasai그룹 및 Pasca그룹에서 처음 시도되었으며, 다양한 외인성 인자를 사용하여 원하는 뇌 영역을 제작하는 방법이다 [12-13]. 이와 같은 뇌 오가노이드 기술은 최근 환자특이적인 iPSC와 접목되어 down 증후군, Rett 증후군 등의 다양한 뇌-신경계 질환에 적용되고 있다 (그림 1). 또한 최근에는 유전자가위 기술을 이용하여 좀 더 정밀한 질환 모델링이 가능해지고 있으며, 기존에 밝혀지지 않았던 다양한 치료 타겟을 제시할 것으로 기대되고 있다.

뇌 오가노이드의 한계와 가능성

뇌 오가노이드 기술은 기존의 2D 배양 및 동물모델에서 제공할 수 없었던 혁신적인 접근 방식을 제공하지만 극복해야 할 몇 가지 한계점이 존재한다. 첫째, 실제 인간 뇌의 복잡성과 재현성을 모두 만족하는 뇌 오가노이드를 제작하기 어려운 점이다. 일반적으로 복잡성을 최대한 구현하기 위해서는 다양한 방식의 외부인자를 기반으로 하는 외인성 페터닝 방식이 적용되고 있으나, 이는 필연적으로 배치간의 큰 변동성을 유발한다 [14]. 이와는 반대로 특정 부위만을 모방하는 뇌 오가노이드의 경우 배치간의 높은 재현성을 보여주지만, 뇌의 복잡한 영역들을 적절하게 표현할 수 없었다 [15].
다른 한계는 뇌 오가노이드의 크기가 커짐으로써 발생할 수 있는 불충분한 산소 및 영양소 공급이다. 현재 개발된 대부분의 프로토콜의 경우 일반적인 확산에 의한 산소 및 영양소 공급 방법을 사용하고 있으며, 이는 뇌 오가노이드 중앙 부분에 충분한 공급이 어려워 조직의 괴사를 유발하는 것으로 알려져 있다. 최근에는 이러한 문제를 해결하기 위하여 혈관 등의 다른 세포와의 결합을 유도하는 프로토콜이 개발되고 있다 [16].

결론

뇌 오가노이드 기술의 개발은 in vitro 시스템에서 인간 뇌의 발달 과정과 뇌-신경 질환에 대한 병인을 관찰할 수 있는 새로운 기회를 제공하였다. 최초의 뇌 오가노이드가 개발된 후 매우 짧은 시간에 광범위한 연구가 진행되고 있으며, 뇌-신경 질환 연구에 핵심 기술로 자리잡고 있다. 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. 멀지 않은 미래에 뇌 오가노이드 기술이 기존의 시스템을 통하여 확인하지 못하였던 뇌-신경 질환의 메커니즘을 규명하고 치료 타겟을 제시할 수 있을 것으로 기대한다.

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