연구원들은 400개 이상의 뇌 세포 유형을 배양했습니다. 이는 알츠하이머병과 파킨슨병 연구에 있어서 획기적인 진전입니다.

ETH 연구진이 실험실에서 줄기세포로부터 배양한 수백 개의 신경 세포 중 한 유형(노란색)(현미경 사진). 사진 제공: Hsiu-Chuan Lin, Malgorzata Santel / ETH Zurich

신경 세포는 단순한 신경 세포가 아닙니다. 최신 계산에 따르면 인간의 뇌에는 우리가 얼마나 세밀하게 구분하느냐에 따라 수백에서 수천 가지의 다양한 신경 세포가 존재합니다. 이러한 세포 유형은 기능, 세포 부속기의 수와 길이, 그리고 세포 간 연결 방식이 서로 다릅니다. 세포들은 시냅스로 서로 다른 신경전달물질을 분비하며, 대뇌 피질이나 중뇌와 같은 뇌 영역에 따라 서로 다른 유형의 세포가 활동합니다.

과거 과학자들이 실험을 위해 페트리 접시에서 줄기세포로부터 신경 세포를 배양할 때는 그 엄청난 다양성을 고려하는 것이 불가능했습니다. 지금까지 연구자들은 수십 종의 신경 세포를 시험관 내에서 배양하는 방법만 개발했을 뿐이었습니다. 유전 공학을 활용하거나 특정 세포 신호 전달 경로를 활성화하는 신호 전달 분자를 첨가하는 방식으로 이를 달성했습니다. 그러나 실제로 존재하는 수백, 수천 종의 신경 세포 유형의 다양성에는 결코 미치지 못했습니다.

"줄기세포에서 유래된 뉴런은 질병 연구에 자주 사용됩니다. 하지만 지금까지 연구자들은 어떤 유형의 뉴런을 연구하는지 정확히 알지 못하는 경우가 많았습니다."라고 바젤 취리히 연방공과대학교(ETH Zurich) 생물시스템과학 및 공학과의 바바라 트로이틀라인 교수는 말합니다. 하지만 이는 이러한 연구에 최선의 접근 방식은 아닙니다. "알츠하이머병, 파킨슨병, 우울증과 같은 질병과 장애에 대한 세포 배양 모델을 개발하려면 관련된 특정 유형의 신경 세포를 고려해야 합니다."

체계적인 스크리닝이 성공의 열쇠였다

트로이틀라인과 그녀의 연구팀은 현재 400종이 넘는 다양한 신경 세포를 성공적으로 생산했습니다. 이를 통해 과학자들은 세포 배양 실험을 통해 더욱 정밀한 기초 신경학 연구의 토대를 마련했습니다.

ETH 연구진은 혈액 세포에서 생성된 인간 유도만능줄기세포(iPSC) 배양을 통해 이를 달성했습니다. 이 세포에서 유전공학을 이용하여 특정 신경 조절 유전자를 활성화하고, 특수 신호 전달 분자인 다양한 형태발생인자(morphogen)를 처리했습니다. 트로이틀라인과 그녀의 연구팀은 스크리닝 실험에서 7가지 형태발생인자를 다양한 조합과 농도로 사용하는 체계적인 접근법을 취했습니다. 그 결과, 약 200가지의 실험 조건이 설정되었습니다.

형태발생인자

형태발생인자는 배아 발달 연구를 통해 알려진 전달자입니다. 형태발생인자는 배아 내에 균일하게 분포하지 않고 다양한 농도로 존재하며 공간적 패턴을 형성합니다. 이러한 방식으로 형태발생인자는 배아 내 세포의 위치를 결정합니다. 예를 들어, 세포가 체축 근처에 있는지, 아니면 등, 복부, 머리 또는 몸통에 있는지 등을 나타냅니다. 따라서 형태발생인자는 배아의 어느 부분에서 무엇이 성장하는지 결정하는 데 도움을 줍니다.

연구진은 다양한 분석을 통해 실험에서 400종이 넘는 다양한 신경 세포가 생성되었음을 증명했습니다. 개별 세포 수준에서 RNA(및 유전적 활성)를 분석했을 뿐만 아니라, 세포의 외형과 기능도 조사했습니다. 예를 들어, 어떤 종류의 세포 부속기가 어느 정도 존재하고, 어떤 전기 신경 자극이 방출되는지 등을 분석했습니다.

연구진은 이 데이터를 인간 뇌 뉴런 데이터베이스의 정보와 비교했습니다. 이를 통해 생성된 신경 세포의 유형, 즉 말초 신경계나 뇌 세포에서 발견되는 신경 세포와 그 세포들이 어느 뇌 영역에서 유래했는지, 그리고 통증, 추위 또는 움직임을 감지하는지 등을 파악할 수 있었습니다.

활성 성분 연구를 위한 시험관 내 뉴런

트로이틀라인은 시험관 내에서 존재하는 모든 유형의 신경 세포를 만들어내기까지는 아직 갈 길이 멀다고 밝혔습니다. 그럼에도 불구하고, 연구진은 이제 이전보다 훨씬 더 다양한 유형의 세포에 접근할 수 있게 되었습니다.

그들은 체외 신경 세포를 이용하여 조현병, 알츠하이머병, 파킨슨병, 간질, 수면 장애, 다발성 경화증 등 심각한 신경 질환 연구를 위한 세포 배양 모델을 개발하고자 합니다. 이러한 세포 배양 모델은 동물 실험 없이 세포 배양에서 새로운 활성 화합물의 효과를 시험하는 제약 연구에서도 큰 관심을 받고 있으며, 궁극적으로 이러한 질환을 완치하는 것을 목표로 합니다.

미래에는 이 세포가 세포 대체 요법에도 사용될 수 있을 것입니다. 세포 대체 요법은 뇌의 아프거나 죽은 신경 세포를 새로운 인간 세포로 대체하는 것을 포함합니다.

하지만 이를 실현하기 위해서는 극복해야 할 과제가 있습니다. 연구진은 실험 과정에서 여러 유형의 신경 세포를 혼합하여 생산하는 경우가 많았습니다. 현재 연구진은 각 실험 조건에서 특정 세포 유형 하나만 생성되도록 방법을 최적화하기 위해 노력하고 있습니다. 이러한 목표를 어떻게 달성할 수 있을지에 대한 초기 아이디어는 이미 나와 있습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/07/250711224316.htm