[전문기술] 3D 바이오프린팅으로 제작한 인간 뇌 조직

[전문기술]  3D 바이오프린팅으로 제작한 인간 뇌 조직

 

 

◇ 최근 3D 바이오프린팅 기술을 통해 재생의학과 뇌연구 분야에 중요한 진전을 보여주는 연구결과가 발표. 인간 만능줄기세포(hPSCs)를 이용하여 다양한 신경 전구체를 유도한 후, 이들 세포를 3D 바이오프린팅 기술로 정밀하게 배치하였으며, 프린트된 신경 전구체는 뉴런 및 별아교세포(astrocytes) 등으로 분화하며 기능적인 신경회로를 형성하는 것을 관찰 ▸주요 출처 : Science News, 3D printer creates brain tissue that acts like the real thing, 2024.2.9

 

■ 최근 3D 바이오프린팅 기술을 통해 재생의학과 뇌연구 분야에 중요한 진전을 보여주는 연구결과가 발표

○ 미국 위스콘신-매디슨 대학교의 신경과학자 Su-Chun Zhang 연구팀은 3D 프린팅 기술으로 인간의 신경조직을 제작, 뇌의 신호전달을 모방할 수 있다는 가능성을 제시

• －︎이번 연구에서는 기존의 3D 바이오프린팅 기술이 조직공학 연구에서 보였던 한계를 극복

※ 관련 논문 : Cell Stem Cell, 3D bioprinting of human neural tissues with functional connectivity, 2024.2.1

 

○ 기존 기술에서는 프린팅 과정이나 바이오잉크의 구성 요소가 세포의 생존율이나 분화에 부정적인 영향을 끼쳤으나,

• －︎이번 연구에서는 세포의 생존과 성장을 지원하는 바이오잉크를 개발하여 프린팅된 신경조직에서 높은 세포 생존율과 효과적인 분화를 달성

 

○ 신경조직의 3D 프린팅에서는 단순히 세포를 배치하는 것을 넘어서 신경세포 간의 기능적 연결성을 형성하는 것이 큰 도전과제

• －︎연구팀은 다양한 신경세포 유형을 정밀하게 배치되도록 조절하여 실제 뇌 조직과 유사한 기능적 연결성을 가진 신경회로를 형성

 

○ 이를 위해 연구팀은 인간 만능줄기세포(human pluripotent stem cells, hPSCs)를 이용하여 다양한 신경 전구체를 유도한 후, 이들 세포를 3D 바이오프린팅 기술로 정밀하게 배치하였으며, 프린트된 신경 전구체는 뉴런 및 별아교세포(astrocytes) 등으로 분화하며 기능적인 신경회로를 형성하는 것을 관찰

• －︎3D 프린팅으로 제작된 인간 신경조직은 신경망의 연결을 이해하고, 병리학적 과정을 모델링하며, 약물 테스트를 위한 플랫폼으로 유용할 것으로 기대

 

■ 전체적인 연구과정은 신경 전구체 생성 → 이를 바이오잉크와 혼합하여 바이오프린팅 → 기능성 평가로 진행

○ 특히, 세포의 생존과 성장을 촉진하는 바이오잉크가 핵심적인 요소였는데, 연구팀은 신경세포에 생체 적합성이 입증된 피브린젠(fibrinogen)과 트롬빈(thrombin)으로 구성된 피브린 하드로겔(fibrin hydrogel)을 기본적인 바이오잉크로 선택

• －︎이외에도 젤라틴, 알지네이트, 매트리겔, 히알루론산 등 다양한 생체 호환성 재료를 기반으로 세포에 최적의 3D 환경을 제공

 

○ 또 다른 핵심 요소로는 3D 바이오프린팅 전략으로, 압출 방식을 사용하여 인간 대뇌 피질의 층 구조를 모방

• －︎다만, 혈관이 없는 조직에 대한 산소의 확산 한계(약 100∼200μm)와 형태적, 기능적 분석 등 실험실에서의 광범위한 적용 가능성을 고려하여 각 층의 두께를 50μm로 선택

 

< 제작한 인간 뇌 조직의 3D 바이오프린팅 과정 및 기능 분석 >

출처 : Cell Stem Cell, 3D bioprinting of human neural tissues with functional connectivity, 2024.2.1.

 

■ 연구팀은 프린트된 신경조직에서 신경세포 간의 전기적 신호 전달과 같은 기능적 연결성을 확인

○ 시간이 지남에 따라 프린트된 신경조직에서 별아교세포가 성숙해지면서 복잡한 가지를 형성하였으며,

• －︎뉴런이 방출한 글루타메이트(glutamate)를 별아교세포가 흡수하는 것을 관찰하며 뉴런과 별아교세포 간의 네트워크를 확인

 

○ 대뇌피질 조직(cortical tissue)과 스트리아탈 조직(striatal tissue) 간에 기능적 시냅스 연결이 형성되는지 분석하였는데,

• －︎대뇌피질 뉴런을 자극하면 칼슘 신호를 통해 스트리아탈 뉴런에서 반응이 유발되는 것을 확인

※ 대뇌피질 층으로부터 멀리 떨어진 스트리아탈 뉴런에서도 칼슘 반응을 보임

 

○ 연구팀은 이러한 기술이 질병 모델링에 응용할 수 있을지 알아보고자 신경퇴행성 질환인 알렉산더병(Alexander disease, AxD)*의 병리학적 특징을 재현

* 중추신경계에서 주로 발견되는 단백질인 GFAP(Glial Fibrillary Acidic Protein)의 유전자의 돌연변이에 의해 발생. 신경계에서 중요한 지지 및 영양 공급 역할과 관련되어 있으며, 현재까지 이 질병에 대한 근본적인 치료법은 없음

• －︎AxD(R88C 돌연변이) 유래 별아교세포로 프린트된 조직은 대조군에 비해 GLT-1 (glutamate transporter 1)의 발현 수준이 낮았으며, 시냅스 밀도가 현저히 감소되는 것을 관찰

 

○ 특히, 이번 연구는 live-cell imaging 등 첨단 이미징 기술은 프린트된 조직의 3차원적인 구조와 연결성을 분석하는 데에 중요한 역할

• －︎칼슘 이미징, 실시간 글루타메이트 이미징, 3D 시각화 기술을 통해 신경세포 간 기능적 연결성과 상호작용을 분석

※ 글루타메이트 지시자 iGluSnFR와 칼슘 지시자 jRGECO1b를 사용한 실시간 이미징 기술을 사용하여 신경세포 간의 상호작용, 신경 전달물질의 방출 및 흡수 과정을 실시간으로 관찰

• －︎신경세포의 전기적 활동을 직접 측정하는 데 패치 클램핑(patch clamping)이라는 정교한 전기생리학적 기록기술(electrophysiological recording)을 사용