실험실 배양 척수 모델, 손상 재현하고 '춤추는 분자' 치료 시험

Title: 실험실 배양 척수 모델, 손상 재현하고 '춤추는 분자' 치료 시험

Label: Northwestern 척수 오가노이드 모델, 재생 치료 시험

Summary: Northwestern University 연구진은 세포 사멸, 염증, 교세포 흉터 형성을 포함한 손상 반응을 정확히 재현하는 인간 척수 오가노이드를 개발했다. 시험 결과, '춤추는 분자' 치료는 흉터를 유의하게 줄이고 신경 재성장을 촉진했다.

Highlights:

• Northwestern University 연구진은 손상 후 세포 사멸, 염증, 교세포 흉터 형성을 정확히 재현하는 최초의 인간 척수 오가노이드 모델을 만들었다
• 이전에 동물에서 운동 회복을 보여준 '춤추는 분자' 치료를 손상된 오가노이드에 적용하자 유의한 신경돌기 성장과 흉터 조직 감소가 나타났다
• 이 치료는 미국 식품의약국(FDA)으로부터 희귀의약품 지정(Orphan Drug Designation)을 받았다
• 연구진은 인간 척수 오가노이드에 미세아교세포(microglia)를 처음 도입해 척수 손상을 더 현실적으로 반영하는 모델을 만들었다
• 연구팀은 만성 손상 상태를 포함한 더 발전된 오가노이드 모델과 궁극적으로 환자 자신의 줄기세포로 만든 맞춤형 이식편 개발을 계획하고 있다

Content: Northwestern University 과학자들은 손상 반응을 정확히 재현하고 재생 치료 개발을 가속할 수 있는, 인간 척수 오가노이드를 활용한 혁신적인 실험실 배양 모델을 개발했다. 이 모델은 처음으로 세포 사멸, 염증, 그리고 신경 재성장을 가로막는 치밀한 장벽인 교세포 흉터 형성을 성공적으로 재현했다.

오가노이드는 줄기세포로 배양한 장기의 미니 버전으로, 실제 조직의 구조와 기능을 모사한다. 연구진은 손상된 인간 척수 오가노이드를 이용해, 이전 동물 연구에서 마비를 되돌리고 조직을 복구하는 것으로 나타난 "춤추는 분자" 치료를 시험했다. 치료를 받은 오가노이드에서는 신경세포를 연결하는 긴 돌기인 신경돌기(neurite)의 성장이 유의하게 증가했고, 흉터 유사 조직은 감소했다.

2021년에 소개된 이 치료는 분자 운동을 이용해 외상성 척수 손상을 복구한다. 액체 형태로 주입되면 척수 세포 주변의 자연 지지체인 세포외기질을 모방하는 나노섬유 네트워크로 겔화된다. 분자들의 집단적 운동을 정교하게 조절하면 세포 수용체와의 결합이 향상된다. 생쥐에서는 중증 손상 24시간 후 단 1회 주사만으로도 4주 안에 다시 걷게 하는 데 도움이 됐다.

이번 연구의 교신저자이자 이 치료의 발명자인 Samuel I. Stupp는 오가노이드의 가장 흥미로운 점 중 하나는 인간 조직에서 새로운 치료법을 시험할 수 있다는 것이라고 밝혔다. 임상시험(clinical trial)을 제외하면, 이 목표를 달성할 수 있는 유일한 방법이라는 것이다. 치료를 적용한 뒤 교세포 흉터는 거의 감지되지 않을 정도로 크게 줄었고, 신경돌기가 자라나 동물에서 관찰된 축삭 재생과 유사한 모습을 보였다. 이는 이 치료가 인간에서도 효과를 낼 가능성이 높다는 점을 입증하는 결과다.

연구팀은 척수 손상을 모델링하기 위해 흔한 두 가지 손상 형태를 만들었다. 하나는 메스를 이용한 열상이고, 다른 하나는 심각한 충돌이나 추락에서 발생하는 손상과 유사한 압박성 좌상이다. 두 손상 모두 실제 손상에서 보이는 것처럼 세포 사멸과 교세포 흉터 형성을 일으켰다. 또한 연구팀은 염증 반응을 모사하기 위해 뇌의 면역세포인 미세아교세포를 추가했다. 연구진은 인간 척수 오가노이드에 미세아교세포를 처음 도입했으며, 이는 손상에 반응해 상주 면역계가 생성하는 모든 화학 물질을 오가노이드가 갖추게 됐음을 뜻한다. 그 결과, 이 오가노이드는 척수 손상을 더 현실적이고 정확하게 반영하는 모델이 됐다.

손상된 오가노이드에 적용된 액체 치료제는 겔화되어 지지체를 형성했고, 염증을 가라앉히고, 흉터를 줄이며, 신경돌기를 연장시키고, 질서 있는 신경 성장을 촉진했다. 척수 손상에서는 신경돌기의 일종인 축삭이 자주 절단돼 신경 신호 전달이 방해받고 마비가 발생하는데, 이러한 돌기의 재생은 기능 회복에 도움이 될 수 있다.

손상 모델을 개발하기에 앞서 연구진은 건강한 오가노이드에서 이 치료를 먼저 시험했다. 춤추는 분자는 오가노이드 표면에 긴 신경돌기를 만들어냈지만, 운동성이 적거나 없는 분자를 사용했을 때는 아무 변화도 관찰되지 않았다. 이 차이는 매우 뚜렷했다. 이 치료 접근법의 뛰어난 효능은 분자의 초분자적 운동(supramolecular motion)에 기인하며, 이로 인해 세포 수용체와 빈번하게 상호작용할 수 있게 된다.

이 치료는 미국 식품의약국(FDA)으로부터 희귀의약품 지정(Orphan Drug Designation) 을 받았다. 다음 단계로 연구팀은 더 단단한 흉터 조직을 동반하는 만성 손상 모델을 포함한 한층 고도화된 오가노이드를 개발하고, 궁극적으로는 면역 거부 반응을 피하기 위해 환자 자신의 줄기세포에서 배양한 맞춤형 이식편을 만드는 계획을 세우고 있다.

Nature Biomedical Engineering에 게재된 이번 연구는 치료 발전 가능성뿐 아니라 인간의 생리와 병리를 더 깊이 이해하는 데서 오가노이드가 수행하는 변혁적 역할도 강조한다. 오가노이드는 연구자들이 동물실험과 인간 임상시험에 비해 더 빠르게 연구를 진행하고 비용도 줄일 수 있게 해준다.