새 기술로 인간 신경 활동 ‘전체 네트워크’ 지도화 가능해져

노스웨스턴대학교와 Shirley Ryan AbilityLab의 과학자들이 이끄는 연구팀이 실험실에서 배양한 미니어처 인간 뇌 유사 조직 내부에서 벌어지는 숨은 전기적 대화를 ‘엿들을’ 수 있는 새로운 기술을 개발했다. 부드러운 3차원 전자 프레임워크가 통기성 있는 첨단 메시처럼 오가노이드를 감싸며, 수백 개의 소형 전극을 통해 형태에 밀착되는 거의 완전한 커버리지를 제공한다. 이 연구는 2월 18일 학술지 Nature Biomedical Engineering에 게재됐다.

인간 신경 오가노이드를 연구하는 과학자들은 기존의 평면 전자장치가 조직의 3차원 구형 구조에 잘 밀착되지 않기 때문에 제한된 영역에서만 활동을 기록하고 자극할 수 있었다. 선택된 일부 영역을 표본화하는 대신, 새 기술은 고밀도의 3차원 인터페이스를 제공해 오가노이드 거의 전체에 걸친 신경 활동을 지도화하고 조작할 수 있게 한다.

장치 개발을 이끈 바이오일렉트로닉스 분야 선구자는 “인간 줄기세포 유래 오가노이드는 조직이 약물과 새로 등장하는 치료법에 어떻게 반응하는지에 대한 환자 맞춤형 연구를 가능하게 하면서 생의학 연구의 주요 초점이 됐다”고 말했다. “학계와 산업계의 연구실들은 수년에 걸쳐 이러한 조직 구조물을 개발해 왔고, National Institutes of Health (NIH)는 이 방향의 연구를 가속하기 위한 지원 흐름을 시작했다. 핵심적으로 부족했던 요소는 인체 장기의 미세한 유사체를 조사하고(interrogate), 자극하며, 조작할 수 있는 하드웨어 기술이다.”

오가노이드 개발을 이끈 연구자는 “인간 신경 오가노이드는 전기 신호로 소통하는 활성 신경 회로를 포함한 살아 있는 3D 조직이다. 그러나 이를 연구하는 데 사용하는 최첨단 장비는 원래 평평한 세포층을 위해 설계돼 구형이면서 3차원인 오가노이드와는 잘 맞물리지 않는다”고 말했다. “오가노이드의 기하학적 형태에 맞춰 밀착되는 부드러운 전자장치를 만들면서, 이제 표면 전반의 수백 지점에서 동시에 기록하고 자극할 수 있게 됐다. 이는 고립된 신호가 아니라 전체 네트워크 수준에서 신경 활동을 연구할 수 있게 한다.”

Neurobiology of Disease에 발표된 보완적 접근으로, Sanford Burnham Prebys Medical Discovery Institute의 연구자들이 University of California San Diego 및 BioMarin Pharmaceutical의 협력자들과 함께, 협동적 리듬이 어떻게 출현하고 뉴런이 화학 화합물로 교란될 때 어떻게 반응하는지 연구할 수 있는 단순화되고 확장 가능한 인간 세포 모델을 개발했다.

연구팀의 접근은 유도만능줄기세포 (induced pluripotent stem cells, iPSCs)에서 유래한 인간 뉴런의 2차원 네트워크를 배양하는 것이었다. 과학자들은 다중 전극 어레이를 사용해 시간에 따른 뉴런 활동을 기록했는데, 이는 여러 독립 네트워크를 병렬로 모니터링할 수 있는 작은 센서가 내장된 플레이트다. iPSC는 피부나 혈액 샘플 등 접근 가능한 공여자 세포로부터 실험실에서 생성할 수 있으므로, 건강한 사람과 환자 모두에서 대량의 인간 뉴런을 생산할 수 있게 한다.

이들 2D 네트워크가 성숙해지면서 연구자들은 느린 파동 안에 더 빠른 리드미컬 구조가 층층이 겹쳐진 “중첩 진동(nested oscillations)”의 출현을 관찰했다. 이러한 진동은 뇌 기록에서 흔히 관찰되는 주파수 범위(델타, 세타, 알파) 전반에서 관찰됐다.

Sanford Burnham Prebys의 Center for Therapeutics Discovery 소속이자 Conrad Prebys Center for Chemical Genomics에서 Cell Biology 책임자인 부교수로서, 연구의 시니어 및 공동 교신저자인 저자는 “이 실험들과 다른 실험들의 결과는 이 단순화된 2D 뉴런 네트워크 모델이 네트워크 성숙의 핵심 특징을 포착하며, 체계적 테스트에 필요한 규모와 제어력을 제공한다는 것을 보여준다”고 말했다.

이번 연구는 2D 네트워크를 3차원 뇌 오가노이드를 보완하는 플랫폼으로 자리매김하게 한다. iPSC에서 역시 생산되는 오가노이드는 2D 형식에서는 재현하기 어려운 조직 구조, 세포 다양성, 네트워크 활동의 일부 측면을 재현할 수 있다. 동시에 오가노이드의 복잡성은 특정 실험을 대규모로 수행하기 어렵게 만들 수 있는데, 특히 많은 복제(replicate) 수가 필요하거나 다양한 조건에서 광범위한 용량–반응(dose–response) 시험이 필요한 연구에서 그렇다.

시니어 저자는 “오가노이드는 뇌 조직화의 일부 측면을 모델링하는 데 대단히 중요하다”고 말했다. “우리가 여기서 더하는 것은 실험적 제어와 처리량을 강조하는 보완적 2D 플랫폼이며, 이는 질환 모델링과 초기 단계 치료 평가에서 벤치마킹과 체계적 테스트에 특히 유용할 수 있다.”

연구의 주요 초점 중 하나는 네트워크 활동을 안정화하고 진정시키는 데 도움을 주는 GABA성 뉴런이 생성하는 신경전달물질 GABA가 매개하는 억제성 신호였다. 예를 들어, 이 억제 시스템은 수면을 촉진하고 발작을 예방하는 데 도움이 된다.

연구팀은 GABA-A 수용체 길항제 약물로 GABA 신호를 차단했을 때 중첩 리듬이 감소했으며, 네트워크에서 GABA성 뉴런의 비율을 늘리면 이러한 리듬이 더 이르게 출현한다는 것을 발견했다. 이들의 발견은 해당 분야의 기존 근거와 일치하며, GABA 매개 억제가 신경발달 및 정신과 질환의 iPSC 기반 모델에서 진동의 출현과 성숙을 어떻게 형성하는지에 대한 후속 연구를 뒷받침한다.

연구자들은 또한 potassium channels에 영향을 미치는 약물을 시험했다. 이 단백질들은 뉴런이 전기 신호를 생성하고 전달하는 능력, 즉 신경 흥분성(neuronal excitability)을 설정하는 데 도움을 준다. 결과는 서로 다른 칼륨 채널 교란이 리듬 조직화에 각기 다른 방식으로 영향을 줄 수 있음을 시사했으며, 흥분성이 단순히 쉽게 올리거나 내릴 수 있는 하나의 다이얼이 아니고, 특정 기전이 네트워크 수준에서 특정한 시그니처를 가질 수 있음을 강조했다.

살아 있는 인간 조직 모델에서 전체 네트워크 수준의 뇌 유사 활동과 약물 반응을 포착함으로써, 이 기술은 질환 연구, 치료법 시험, 차세대 신경 재생 치료 개발을 가속할 수 있다. 오가노이드가 NIH 이니셔티브와 산업계 신약 개발에서 점점 더 우선순위가 되면서, 이러한 기록 및 자극 기술의 발전은 뇌 질환에 대한 효과적인 치료법 개발을 위한 핵심 도구를 제공한다.