스탠포드 과학자들은 일반 식품 첨가물을 사용하여 수천 개의 미니 인간 뇌를 배양했습니다.

간단한 식품 첨가물을 첨가함으로써 연구자들은 이제 균일한 뇌 오가노이드를 대량 생산할 수 있게 되었으며, 수년간의 규모 확장 문제를 극복할 수 있게 되었습니다. 이 확장 가능한 시스템은 약물 안전 및 뇌 질환 연구 분야의 발견을 가속화할 수 있을 것입니다. 출처: Shutterstock

거의 10년 동안 스탠퍼드 뇌 기관 형성 프로그램은 과학자들이 인간의 뇌를 연구하는 방식을 재정립해 왔습니다. 이 프로그램의 연구진은 사람이나 동물의 온전한 뇌 조직에 의존하는 대신, 줄기세포를 이용하여 실험실에서 뇌와 유사한 3차원 구조를 배양합니다. 인간 신경 오가노이드와 아셈블로이드라고 불리는 이 작은 모형을 통해 과학자들은 완전히 새로운 방식으로 뇌의 발달과 기능을 탐구할 수 있습니다.

2018년 스탠퍼드 대학교 우차이 신경과학 연구소의 빅 아이디어 인 뉴로사이언스(Big Ideas in Neuroscience) 이니셔티브의 일환으로 시작된 이 프로그램은 신경과학, 화학, 공학 및 기타 분야의 전문가들을 하나로 모읍니다. 이들은 함께 통증과 관련된 신경 회로, 신경발달 장애와 관련된 유전자, 그리고 뇌 연결성을 연구하는 새로운 방법론을 연구합니다.

프로그램 진행 과정 내내 한 가지 과제가 지속되었습니다. 바로 생산량 확대입니다. 뇌 발달을 심도 있게 이해하고, 발달 장애를 연구하고, 잠재적 치료법을 시험하기 위해 연구자들은 크기와 모양이 균일한 수천 개의 오가노이드를 생산해야 합니다. 그러나 이러한 섬세한 구조는 서로 달라붙는 경향이 있어 대량의 일관된 배치를 만드는 데 어려움을 겪습니다.

우 차이 신경과(Wu Tsai Neuro) 소속인 세르주 파스카(Sergiu Pasca) 정신의학 및 행동과학 교수(Kenneth T. Norris, Jr.)와 사라 하일손(Sarah Heilshorn) 리키/닐슨(Rickey/Nielsen) 공학 교수가 이끄는 연구팀은 최근 예상치 못한 간단한 해결책을 찾아냈습니다. Nature Biomedical Engineering 에 보고된 바와 같이 , 오가노이드 응집을 방지하는 핵심 요소는 널리 사용되는 식품 첨가물인 잔탄검(xanthan gum)이었습니다.

"이제 1만 개를 쉽게 만들 수 있습니다." 스탠퍼드 뇌 기관 형성 프로그램의 보니 위텡수(Bonnie Uytengsu)이자 가족 책임자인 파스카(Pasca)는 말했다. 이 프로그램의 기술 활용을 널리 알리겠다는 의지에 따라, 그들은 이미 다른 사람들도 활용할 수 있도록 접근 방식을 공유했다. "저희의 다른 모든 방법과 마찬가지로, 이 방법도 공개되어 있으며 무료로 이용할 수 있습니다. 이미 이 기술을 도입한 연구실이 많습니다."

그 중 당신이 이름을 댈 수 있는 사람은 너무 적다

그 정도의 생산성은 한때 상상도 할 수 없었습니다. 약 12년 전, 파스카는 줄기세포를 3차원 조직으로 변환하는 방법을 개발했는데, 이 조직은 나중에 국소 신경 오가노이드라고 불릴 것입니다. 당시 그가 만들 수 있는 신경 오가노이드는 극소수에 불과했습니다.

"초창기에는 8~9개의 동물을 키웠는데, 각각 신화 속 생물의 이름을 따서 지었어요."라고 파스카는 말했다.

하지만 파스카의 목표는 훨씬 더 컸습니다. 자폐증이나 티모시 증후군과 같은 질환에서 발달 중인 뇌가 어떻게 이상 반응을 보이는지 밝히고, 약물이 이러한 발달에 어떤 영향을 미치는지 탐구하는 것이었습니다. 그는 "수천 개의 오가노이드를 만들어야 했는데, 모두 동일해야 했습니다."라고 말했습니다.

그는 또한 성공을 위해서는 다양한 전문가 팀이 필요하다는 것을 깨달았습니다. "'이 분야는 새롭게 부상하는 분야이고 우리가 직면하게 될 문제들이 많을 텐데, 우리가 이 문제들을 해결하려면 혁신적인 기술을 도입해야 한다'고 생각했습니다."라고 파스카는 말했습니다.

그 비전을 달성하기 위해 파스카는 신경과학자이자 생체공학자인 우 차이 신경과학과 제휴자인 칼 다이서로스(Karl Deisseroth)와 협력하여 우 차이 신경과학 빅 아이디어 보조금의 지원을 받아 스탠포드 뇌 기관 형성 프로그램을 공식적으로 출범시킨 학제간 그룹을 구성했습니다.

논스틱 솔루션

곧 끈적임 문제가 나타났습니다. 오가노이드들이 서로 융합하면서 모양과 크기가 서로 다른 오가노이드의 수가 줄어들었습니다.

파스카는 "연구실 사람들은 '나는 100개의 유기체를 만들었는데, 결국 20개만 만들었다'고 끊임없이 말하곤 했습니다."라고 말했습니다.

그것은 축복이자 저주였습니다. 한편으로는 연구자들이 두 종류의 오가노이드, 예를 들어 아주 작은 소뇌와 척수를 결합하여 더 복잡한 뇌 구조의 발달을 연구할 수 있다는 것을 시사했습니다. 실제로 이러한 아셈블로이드는 이제 파스카와 그의 동료들의 연구에서 핵심적인 부분을 차지하고 있습니다.

반면에 팀은 뇌 발달에 대한 정확한 데이터를 수집하고, 성장 결함에 대한 약물을 검사하고, 대규모로 다른 여러 프로젝트를 수행하기 위해 많은 수의 오르가노이드를 만들어야 했습니다.

한 가지 방법은 각 오가노이드를 별도의 배양접시에서 배양하는 것이지만, 이는 종종 비효율적입니다. 따라서 연구실에서는 오가노이드를 배치 배양하는 동안 서로 분리할 수 있는 장치가 필요했고, 파스카는 스탠퍼드 뇌 기관 형성 프로그램의 공동 연구자이자 재료 엔지니어인 하일스혼과 협력하여 몇 가지 방법을 시도했습니다.

연구팀은 궁극적으로 다른 사람들도 자신들의 방법을 접할 수 있도록 23가지의 서로 다른 자료를 살펴보았습니다.

하일스호른은 "우리는 이미 생체적합성이 있고 비교적 경제적이고 사용하기 쉬운 재료를 선택했습니다. 그래서 우리의 방법을 다른 과학자들이 쉽게 채택할 수 있었습니다."라고 말했습니다.

각 오가노이드를 시험하기 위해, 연구팀은 먼저 영양분이 풍부한 액체에서 6일 동안 오가노이드를 배양한 후 시험 물질 중 하나를 첨가했습니다. 25일 후, 연구팀은 단순히 남아 있는 오가노이드의 개수를 세었습니다.

잔탄검은 소량으로도 오가노이드의 융합을 막았고, 오가노이드 발달에 어떠한 부작용도 일으키지 않았습니다. 즉, 연구자들은 실험 결과에 편향을 일으키지 않고 오가노이드를 분리할 수 있었습니다.

마침내 확장 중

이 기술의 잠재력을 입증하기 위해 연구팀은 실제 문제를 해결하는 데 이 기술을 활용했습니다. 의사들은 임산부와 아기에게 잠재적으로 유익한 약물을 처방하는 것을 종종 주저하는데, 그 약물이 발달 중인 뇌에 해를 끼칠 수 있는지 여부를 알 수 없기 때문입니다. (FDA 승인 약물은 광범위한 테스트를 거치지만, 윤리적 문제로 인해 일반적으로 임산부나 아기를 대상으로 테스트되지 않습니다.)

오가노이드가 이 문제를 어떻게 해결하는지 보여주기 위해, 연구 당시 파스카 연구실 방문 연구원이었던 공동 주저자 겐타 나라자키는 먼저 2,400개의 오가노이드를 배치 단위로 배양했습니다. 그런 다음, 나라자키는 각 배치에 FDA 승인을 받은 298개의 약물 중 하나를 첨가하여 성장 결함을 유발할 수 있는지 확인했습니다. 파스카 연구실의 공동 주저자 유키 미우라와 긴밀히 협력하여 나라자키는 유방암 치료에 사용되는 약물을 포함한 여러 약물이 오가노이드의 성장을 저해한다는 사실을 밝혀냈으며, 이는 이러한 약물이 뇌 발달에 해로울 수 있음을 시사합니다.

파스카는 이 실험은 연구자들이 잠재적인 부작용을 발견할 수 있다는 것을 보여주며, 매우 효율적으로 이를 수행할 수 있다고 말했습니다. "한 명의 실험자가 수천 개의 피질 기관체를 스스로 제작하고 거의 300가지 약물을 테스트했습니다."

파스카와 스탠퍼드 뇌 기관 형성 프로그램 동료들은 현재 이 기술을 사용하여 자폐증, 간질, 조현병과 같은 여러 신경정신 질환에 진전을 이루고자 합니다. 파스카는 "이러한 질병을 해결하는 것은 매우 중요하지만, 규모를 확대하지 않으면 아무런 진전을 이룰 수 없습니다."라고 말했습니다. "그것이 바로 지금 우리의 목표입니다."

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/10/251016223113.htm