뇌 보호하는 혈뇌장벽 본뜬 인공 칩 나온다

[아이뉴스24 정종오 기자] 뇌는 소우주라고 한다. 수천억 개의 뇌 신경세포가 제각각의 역할을 하면서 복잡하게 얽혀 있다. 수천억 개의 별이 있는 은하를 닮았다. 최근 뇌질환이 늘어나고 있다.

문제는 직접 뇌를 관찰하면 좋은데 그렇지 못한 게 현실이다. 뇌의 비밀을 풀기 위한 과학연구는 계속되고 있다. 뇌과학계에서는 이 때문에 뇌 구조와 비슷한 시스템을 만드는 곳에 집중하고 있다.

국내 연구팀이 혈뇌장벽(blood-brain barrier)을 모사한 바이오칩을 만드는 데 성공했다. 뇌는 외부로부터 오는 독소나 약물, 병원균 등의 침입은 막고 필요한 물질만 투과시키는 특이한 구조의 혈뇌장벽으로 둘러싸여 있다. 이번 바이오칩이 상용화되면 뇌 연구에 큰 도움이 될 것으로 기대된다.

혈뇌장벽이 어떤 병원체나 화합물은 이 장벽을 통과시키는지, 통과한다면 어떤 양상인지 미리 실험실에서 모델링해볼 수 있는 바이오칩이 마련된 것이다.

한국연구재단(이사장 노정혜)은 조승우 교수(연세대 생명공학과), 반용선 교수(연세대 생명공학과) 연구팀이 혈뇌장벽의 구조와 기능적 특징을 본뜬 인공 혈뇌장벽 칩을 설계했다고 15일 발표했다.

수백 마이크로미터 수준의 미세채널들로 구성한 칩에 뇌혈관과 뇌세포를 모사해 배양하고 그사이에 혈뇌장벽을 구현해냈다. 뇌혈관을 모사한 미세채널을 통해 배양액과 함께 주입된 다양한 물질이 혈뇌장벽을 모사한 선택적 투과막을 통과해 뇌세포를 모사한 챔버로 이동하는지 현미경을 이용해 실시간으로 관찰할 수 있도록 했다.

연구의 핵심은 3차원 하이드로젤로 세포가 자랄 수 있는 미세환경을 모사와 배양액의 흐름을 제어하면서 신경 줄기세포, 뇌혈관 내피세포, 뇌혈관 주피세포를 공배양함으로써 실제 뇌가 발달할 때 뇌혈관 세포의 생장과 혈관신생 과정을 모사한 것이다.

분자량이 제각각인 여러 물질이 사이토카인(면역 세포가 분비하는 단백질)을 처리했을 때만 바이오칩의 투과막을 통과하는 것을 통해 실제 혈뇌장벽처럼 선택적 투과막으로 작동할 수 있음을 검증했다.

연구팀은 바이오칩에 병원성 곰팡이를 주입했을 때 곰팡이가 마치 뇌세포를 찾아가는 것처럼 투과막으로 이동한 후 응집된 형태로 통과하는 현상을 실시간으로 관찰했다. 이에 관여하는 유전자를 알아냈다.

곰팡이의 뇌 감염은 알려져 있었는데 적절한 실험모델이 없어 이 곰팡이가 어떻게 뇌에 도달하는지 알지 못했다. 연구팀이 찾아낸 유전자를 제거한 곰팡이는 혈뇌장벽 모사막을 통과하지 못하는 것을 통해 이 곰팡이의 신경친화성의 기전을 알아낼 수 있었다.

앞으로 곰팡이성 뇌수막염에 작용할 수 있는 후보물질 발굴이나 혈뇌장벽을 통과할 수 있는 화합물 발굴에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

조승우 교수는 “이번 연구에서 개발된 인간 혈뇌장벽 칩이 실용화된다면 발병 원인이 불분명했던 난치성 뇌질환 연구는 물론 신약개발을 위해 동물실험 이전 단계의 분석 플랫폼으로 활용돼 동물모델을 보완할 수 있을 것”이라고 설명했다.

이어 “인간과 동물 간 유전적, 생리학적 차이로 동물실험 결과의 부정확성과 낮은 효율성을 극복하는 데 도움이 될 것”이라고 덧붙였다.

연구결과(논문명: Fungal brain infection modelled in a human-neurovascular-unit-on-a-chip with a functional blood-brain barrier)는 의생명공학 분야 국제학술지 네이처 바이오메디컬 엔지니어링(Nature Biomedical Engineering) 6월 15일 자로 실렸다.