거의 10년 동안 스탠포드 뇌 조직형성 프로그램은 과학자들이 인간 뇌를 연구하는 방법을 재정의해 왔습니다. 인간이나 동물의 온전한 뇌 조직에 의존하는 대신, 이 프로그램의 연구자들은 줄기 세포를 사용하여 실험실에서 3차원 뇌와 유사한 구조를 성장시킵니다. 인간 신경 유기체 및 조립체라고 불리는 이 작은 모델을 통해 과학자들은 완전히 새로운 방식으로 뇌의 발달과 기능을 탐구할 수 있습니다.
2018년 스탠포드 대학 Wu Tsai 신경과학 연구소의 Big Ideas in Neuroscience 이니셔티브를 통해 시작된 이 프로그램은 신경과학, 화학, 공학 및 기타 분야의 전문가를 통합합니다. 이들은 함께 통증과 관련된 신경 회로, 신경 발달 장애와 관련된 유전자, 뇌 연결성을 연구하는 새로운 방법을 조사합니다.
프로그램이 진행되는 동안 한 가지 과제가 지속되었습니다. 바로 생산 규모를 확대하는 것입니다. 뇌 발달을 깊이 이해하고, 발달 장애를 연구하거나, 잠재적인 치료법을 테스트하기 위해 연구자들은 크기와 모양이 균일한 수천 개의 오가노이드를 생산해야 합니다. 그러나 이러한 섬세한 구조는 서로 달라붙는 경향이 있어 크고 일관된 배치를 성장시키기가 어렵습니다.
Wu Tsai Neuro 계열사인 Sergiu Pasca, 정신의학 및 행동과학 교수인 Kenneth T. Norris, Jr. 교수, 공학과 Rickey/Nielsen 교수인 Sarah Heilshorn이 이끄는 팀은 최근 예상치 못한 간단한 해결책을 발견했습니다. 보고된 바와 같이 자연의생명공학과오가노이드의 뭉침을 방지하는 열쇠는 널리 사용되는 식품 첨가물인 잔탄검이었습니다.
Bonnie Uytengsu이자 스탠포드 뇌 조직 형성 프로그램의 가족 책임자인 Pasca는 “이제 우리는 쉽게 10,000개를 만들 수 있습니다”라고 말했습니다. 자신의 기술을 널리 사용할 수 있도록 하겠다는 프로그램의 약속에 따라 다른 사람들이 이를 활용할 수 있도록 접근 방식을 이미 공유했습니다. “이 방법은 우리의 모든 방법과 마찬가지로 개방적이고 자유롭게 접근할 수 있습니다. 이미 이 기술을 구현한 수많은 실험실이 있습니다.”
이름을 지을 수 있는 사람이 너무 적습니다.
그 정도의 생산성은 한때는 상상할 수 없었던 수준이었습니다. 약 12년 전, Pasca는 줄기 세포를 나중에 지역화된 신경 유기체로 알려진 3차원 조직으로 전환하는 방법을 개발했습니다. 그 당시 그는 단지 몇 개만 만들 수 있었습니다.
“초창기에는 8~9마리가 있었는데 각각 신화 속 생물의 이름을 따서 명명했습니다.”라고 Pasca는 말했습니다.
그러나 Pasca의 목표는 훨씬 더 컸습니다. 자폐증이나 티모시 증후군과 같은 상태에서 발달 중인 뇌가 어떻게 잘못될 수 있는지를 밝히고 약물이 그러한 발달에 어떤 영향을 미칠 수 있는지 탐구하는 것입니다. “우리는 수천 개의 오가노이드를 생산해야 하며 그것들은 모두 동일해야 합니다”라고 그는 말했습니다.
그는 또한 성공하려면 다양한 전문가 팀이 필요하다는 점을 인식했습니다. Pasca는 “‘이것은 신흥 분야이고 우리가 직면하게 될 많은 문제가 있으며, 우리가 직면하고 해결하는 방법은 혁신적인 기술을 구현하는 것’이라고 생각했습니다”라고 말했습니다.
이러한 비전을 달성하기 위해 Pasca는 신경과학자이자 생명공학자인 Wu Tsai Neuro의 계열사인 Karl Deisseroth와 협력하여 신경과학 보조금의 Wu Tsai Neuro Big Ideas 지원을 받아 스탠포드 뇌 조직 생성 프로그램을 공식적으로 시작한 학제간 그룹을 구성했습니다.
달라붙지 않는 솔루션
끈적임 문제는 곧 고개를 들었습니다. 오가노이드가 서로 융합되어 모양과 크기가 다른 더 적은 수의 오가노이드가 탄생했습니다.
Pasca는 “실험실에 있는 사람들은 ‘나는 100개의 유기체를 만들었지만 결국 20개로 끝났습니다’라고 끊임없이 말했습니다.”라고 말했습니다.
그것은 축복이자 저주였습니다. 한편으로는 연구자들이 더 복잡한 뇌 구조의 발달을 연구하기 위해 작은 소뇌와 척수와 같은 두 가지 종류의 유기체를 함께 붙일 수 있다고 제안했습니다. 실제로 이러한 조립체는 이제 Pasca와 그의 동료 연구의 핵심 부분이 되었습니다.
반면에 팀은 뇌 발달에 대한 정확한 데이터를 수집하고 성장 결함에 대한 약물을 검사하거나 기타 여러 프로젝트를 대규모로 수행할 수 있도록 많은 수의 오가노이드를 만들 수 있어야 했습니다.
한 가지 가능성은 각 유기체를 별도의 접시에서 키우는 것이지만 그렇게 하는 것은 종종 비효율적입니다. 대신, 실험실에서는 오가노이드를 배치로 성장시키면서 분리할 수 있는 무언가가 필요했기 때문에 Pasca는 스탠포드 뇌 조직 생성 프로그램의 공동 작업자이자 재료 엔지니어인 Heilshorn과 협력하여 몇 가지 옵션을 시험해 보았습니다.
팀은 궁극적으로 다른 사람들이 자신의 방법에 접근할 수 있도록 하기 위해 23개의 다양한 자료를 조사했습니다.
Heilshorn은 “우리는 이미 생체적합성이 있는 것으로 간주되고 상대적으로 경제적이고 사용이 간편한 재료를 선택하여 다른 과학자들이 우리 방법을 쉽게 채택할 수 있도록 했습니다”라고 말했습니다.
각각을 테스트하기 위해 먼저 영양이 풍부한 액체에서 6일 동안 오가노이드를 성장시킨 다음 테스트 재료 중 하나를 추가했습니다. 25일이 더 지난 후, 팀은 얼마나 많은 오가노이드가 남아 있는지 간단히 계산했습니다.
잔탄검은 소량이라도 오가노이드가 서로 융합되는 것을 방지해 오가노이드 발달에 아무런 부작용도 주지 않았습니다. 이는 연구자들이 실험 결과를 편향시키지 않고 오가노이드를 분리된 상태로 유지할 수 있음을 의미했습니다.
드디어 스케일업
이 기술의 잠재력을 입증하기 위해 팀은 이 기술을 사용하여 실제 문제를 해결했습니다. 의사들은 잠재적으로 유익한 약물이 뇌 발달에 해를 끼칠 수 있는지 여부를 모르기 때문에 임산부와 아기에게 잠재적으로 유익한 약물을 처방하는 것을 종종 주저합니다. (FDA 승인 약물은 광범위한 테스트를 거치지만 윤리적 문제로 인해 일반적으로 임산부나 아기에게는 테스트되지 않습니다.)
오가노이드가 이 문제를 어떻게 해결하는지 보여주기 위해 연구가 완료될 당시 Pasca 연구실의 방문 연구원이었던 공동 저자 Genta Narazaki는 먼저 2,400개의 오가노이드를 일괄적으로 성장시켰습니다. 그런 다음 Narazaki는 298개의 FDA 승인 약물 중 하나를 각 배치에 추가하여 그 중 하나가 성장 결함을 일으킬 수 있는지 확인했습니다. Pasca 연구소의 공동 저자인 Yuki Miura와 긴밀히 협력하면서 Narazaki는 유방암 치료에 사용되는 약물을 포함하여 여러 약물이 오가노이드의 성장을 방해하여 뇌 발달에 해로울 수 있음을 보여주었습니다.
이 실험은 연구자들이 잠재적인 부작용을 밝혀낼 수 있다는 것을 보여주며 매우 효율적으로 이를 수행할 수 있다고 Pasca는 말했습니다. “한 명의 실험자가 스스로 수천 개의 피질 오가노이드를 생산하고 거의 300가지 약물을 테스트했습니다.”
Pasca와 그의 스탠포드 뇌 조직형성 프로그램 동료들은 이제 그들의 기술을 사용하여 자폐증, 간질, 정신분열증과 같은 여러 신경정신병적 장애에 대한 진전을 이루기를 희망하고 있습니다. Pasca는 “이러한 질병을 해결하는 것은 정말 중요하지만 규모를 확대하지 않으면 흠집을 낼 방법이 없습니다”라고 말했습니다. “지금은 그게 목표야.”
출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/10/251016223113.htm
