과학자들은 줄기세포로부터 400종 이상의 신경세포를 배양했습니다.

신경 세포는 단순한 신경 세포가 아닙니다. 최근 연구 결과에 따르면 인간의 뇌에는 수백, 심지어 수천 개의 서로 다른 유형의 신경 세포가 있는 것으로 추정됩니다. 이러한 유형의 신경 세포는 기능, 돌기의 수와 길이, 그리고 서로 연결되는 방식이 서로 다릅니다. 신경 세포는 시냅스로 서로 다른 신경전달물질을 분비하며, 대뇌 피질이나 중뇌와 같은 뇌 영역에 따라 활동하는 세포 유형도 다릅니다.

과학자들이 실험을 위해 페트리 접시에서 줄기세포로부터 신경 세포를 배양했을 때, 이 모든 다양성을 설명할 수는 없었습니다. 최근까지 연구자들은 체외에서 수십 종의 신경 세포만을 배양하는 방법을 개발해 왔습니다. 이를 위해 유전 공학적 접근법을 사용하거나 특정 세포 내 신호 전달 경로를 활성화하는 신호 전달 분자를 첨가했습니다. 하지만 체내에 존재하는 수백, 수천 종의 신경 세포의 다양성을 완전히 포착하는 데는 실패했습니다.

"줄기세포에서 유래된 뉴런은 종종 질병 연구에 사용됩니다. 하지만 지금까지 연구자들은 어떤 유형의 뉴런을 연구하는지 종종 무시해 왔습니다."라고 바젤에 있는 ETH 취리히 생물시스템 과학 및 공학과의 바바라 트로이틀라인 교수는 말합니다.

하지만 그녀는 이것이 이런 작업에 대한 최선의 접근 방식은 아니라고 말합니다.

"알츠하이머병, 파킨슨병, 우울증과 같은 질병과 장애를 연구하기 위한 세포 모델을 개발하려면 병리학적 과정에 관여하는 특정 유형의 신경 세포를 고려해야 합니다."

성공의 열쇠는 체계적인 스크리닝

트로이틀라인과 그녀의 팀은 현재 400개 이상의 다양한 유형의 신경 세포를 성공적으로 생산하여 세포 배양을 이용한 보다 정확한 기초 신경학 연구의 길을 열었습니다.

ETH 과학자들은 혈액 세포에서 유래한 인간 유도만능줄기세포(iPSC) 배양을 통해 이를 달성했습니다. 이 세포에서 특정 신경 조절 유전자를 유전적으로 조작하고, 다양한 형태발생인자(morphogen, 특수 신호전달 분자군)로 처리했습니다. 트로이틀라인 연구팀은 체계적인 접근법을 사용했습니다. 스크리닝 실험에서 다양한 조합과 농도의 형태발생인자 7종을 사용했습니다. 이를 통해 최종적으로 거의 200가지의 실험 조건을 얻을 수 있었습니다.

형태발생인자

형태발생 인자는 배아 발달 연구에서 밝혀진 신호 전달 물질입니다. 이들은 배아 내에 불균일하게 분포하며, 다양한 농도로 공간적 구배를 형성합니다. 따라서 형태발생 인자는 배아 내 세포의 위치를 결정합니다. 예를 들어, 세포가 체축에 더 가까운지, 아니면 등, 복부, 머리 또는 몸통에 위치하는지를 결정합니다. 따라서 형태발생 인자는 신체의 각 부위에 어떤 구조가 형성될지 결정하는 데 도움을 줍니다.

과학자들은 다양한 분석 기법을 사용하여 실험에서 400종이 넘는 다양한 신경 세포를 확보했음을 보여주었습니다. 그들은 개별 세포 수준에서 RNA(및 유전적 활동)를 연구했을 뿐만 아니라, 세포의 외형과 기능, 즉 어떤 종류의 세포 과정을 거치는지, 어떤 전기적 신경 자극을 방출하는지까지 조사했습니다.

연구진은 이 데이터를 인간 뇌 뉴런 데이터베이스의 정보와 비교했습니다. 이를 통해 말초 신경계 세포나 뇌 세포 등 생성된 신경 세포의 종류와 이들이 유래한 뇌 영역, 그리고 이 세포들이 통증, 추위, 움직임 등을 감지하는 역할을 하는지 확인할 수 있었습니다.

활성 물질 탐색을 위한 시험관 내 신경 세포

트로이틀라인은 아직 체내에 존재하는 모든 유형의 신경 세포를 시험관 내에서 생산할 수는 없다고 말했습니다. 그러나 연구진은 이제 이전보다 훨씬 더 다양한 유형의 세포에 접근할 수 있게 되었습니다.

그들은 시험관 내에서 배양된 뉴런을 이용하여 조현병, 알츠하이머병, 파킨슨병, 간질, 수면 장애, 다발성 경화증을 포함한 심각한 신경 질환 연구를 위한 세포 모델을 개발하고자 합니다. 이러한 세포 모델은 제약 연구에도 큰 관심을 받고 있으며, 동물을 사용하지 않고 세포 배양을 통해 새로운 활성 화합물의 효과를 시험할 수 있게 해 주며, 궁극적으로 이러한 질병의 치료법을 규명하는 것을 목표로 합니다.

미래에는 이러한 세포가 세포 대체 치료에도 사용될 수 있을 것입니다. 즉, 질병에 걸리거나 죽은 뇌 신경 세포를 새로운 인간 세포로 대체하는 것입니다.

하지만 그 전에 해결해야 할 문제가 있습니다. 연구진은 실험에서 여러 유형의 신경 세포를 혼합하여 사용하는 경우가 많았습니다. 현재 그들은 각 실험 조건에서 특정 유형의 세포만 생성되도록 방법을 최적화하는 작업을 진행하고 있습니다. 이미 몇 가지 초기 아이디어를 가지고 있습니다.