과학자들이 최초의 '기능적인' 3D 프린팅 미니 뇌를 만듭니다.

위스콘신-매디슨 대학교(UWM) 연구진은 실제 신경 조직과 유사한 기능을 보이는 최초의 3차원 인쇄 뇌 오가노이드 개발을 발표하며 생명공학의 중요한 진전을 이루었다고 발표했습니다.

“뉴런은 신경전달물질을 통해 통신하고, 신호를 보내고, 서로 상호작용하며, 심지어 인쇄된 조직에 추가된 지지 세포와 적절한 네트워크를 형성합니다.” 수석 저자 Su-Chun Zhang은 말했습니다.

줄기세포를 최적의 조건에서 배양하여 인간 뇌의 특정 측면을 복제하는 복잡한 3차원 구조로 자발적으로 조직화하도록 하는 것이 목표입니다. 이러한 ‘뇌 오가노이드’는 의약품 평가, 병리 연구, 기타 응용 분야 탐색을 위한 모델로 사용될 수 있는 잠재력을 지니고 있습니다.

뇌 오가노이드 형성의 자발적인 특성으로 인해 연구자들은 최종 구성을 조작하는 데 한계가 있으며, 이로 인해 연구 목적에 맞는 최적의 결과가 나오지 않을 수 있습니다.

개체는 서로 배타적이고 특정한 형태의 의사소통을 유지했습니다.

장수춘

일부 연구자들은 3차원 바이오프린팅 기술을 오가노이드 내 신경 세포의 분포와 다양성에 더 큰 영향력을 행사하기 위한 수단으로 활용하려고 시도해왔습니다. 그러나 ‘잉크’의 부드러운 세포 구성 요소 간의 응집력을 유지하는 작업이 문제가 되고 있으며, 더 단단한 재료나 프레임워크의 통합은 세포 간의 유기적 상호 작용 형성을 방해하는 것으로 밝혀졌습니다.

3D 프린팅된 뇌 오가노이드: 연구 에 대해 다른 접근 방식을 취했으며, 이는 Cell Stem Cell 저널에 게재되었습니다.

연구진은 처음에 유도만능줄기세포(iPSC)가 중추신경계의 다양한 세포 구성 요소로 분화를 시작하도록 유도했습니다. 그 후, 이러한 독특한 세포 집단을 하이드로젤 기반의 “바이오잉크” 제형과 혼합하여 정밀하고 제어된 방식으로 인쇄할 수 있었습니다.

위스콘신-매디슨 대학의 연구진은 기존의 3차원(3D) 프린팅에서 수직으로 층을 배열하는 방식 대신 수평으로 배열하는 방식을 선택했습니다. 생물학적 잉크를 수직으로 쌓는 대신 평행한 줄무늬를 나란히 배치하여 3D 프린팅한 뇌 오가노이드의 높이는 50마이크로미터에 불과했습니다.이러한 가느다란 구조는 신경세포에 산소를 충분히 공급할 수 있게 해주었기 때문에 매우 중요했습니다.

“이것은 매우 강력한 모델이 될 수 있습니다.”

장수춘

실제로 이 방법은 합성 대뇌 오가노이드 내의 뉴런 간에 유기적인 연결을 촉진하는 데 성공했으며, 여러 층에 분산된 다양한 세포 유형이 서로 통신할 수 있어 실제 신경 조직에서 관찰되는 것과 유사한 네트워크를 형성할 수 있게 되었습니다.

세포 스캐폴딩은 무결성을 유지하면서 다양한 영역에서 신경 통신이 원활하게 이루어질 수 있을 만큼 유연성을 유지합니다. 장 박사는 뇌의 다양한 영역에서 인쇄된 세포가 매우 정밀한 방식으로 서로 상호 작용할 수 있다고 말하며 이 독특한 특성을 강조했습니다.

연구팀은 3D 프린팅된 뇌 오가노이드 내의 세포 정렬에 더 큰 영향력을 발휘할 수 있는 바이오잉크의 잠재적 수정을 모색하면서 방법론을 지속적으로 개선할 계획입니다.

연구자들은 특별한 장비가 필요하지 않기 때문에 향후 다른 연구실에서도 이 방법을 채택할 것이라고 낙관하고 있습니다. 실제로 연구진은 일반 바이오프린터와 기존 이미징 기술을 활용하여 연구를 수행했습니다.

장 박사의 표현처럼 이 모델이 인간의 신경 커뮤니케이션에 대한 이해에 미칠 잠재적 영향은 엄청납니다. 이 모델은 줄기세포 생물학, 신경과학, 수많은 신경 및 정신 질환의 원인에 대한 우리의 관점을 혁신적으로 바꿀 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

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