해외언론동향
해외언론동향 내용 담당 : 배아정책연구팀 02-737-8452
게재 일자 : 2019-08-08 
키워드 : 유사장기, organoid, 유사 태반, mini-placentas, placental organoids, 유사 뇌, mini-brains, brain organoids, 임신합병증, complicated pregnancy, 정신질환, psychiatric disorders, mental illness, 조현병, schizophrenia, 뇌 발달, brain development, nature medicine 

그것은 평범한 베이지색 렌틸콩보다 더 눈에 띄지는 않고, 너무 섬세해서 온도, 음식, 주변 공기가 완벽함에서 조금이라도 벗어나면 쪼글쪼글해지다가 죽음. 과학자들이 인간의 줄기세포로 신장, 심장, , 심지어 뇌까지 극도로 작은 버전으로 유사장기를 만들어내고 있음.

 

미국 리버뇌발달연구소(Lieber Institute for Brain Development) 생물학자(Jennifer Erwin)는 줄기세포로 만든 유사 태반을 임신시킬 의도가 전혀 없음. 대신 산소를 부족하게 하고 스트레스호르몬을 주입하는 등 공격할 생각임. 뇌 발달의 위험을 증가시키는 조현병, 자폐증, 주의력결핍과잉행동장애, 지적장애 등 임신으로 인한 합병증을 모방하는 것임.

 

이런 실험이 효과가 있다면 속편도 염두에 두고 있음. 유사 뇌를 가진 유사 태반을 만들어낼 계획임. 유사 태반이 생리적인 고통을 겪을 때 유사 뇌에서 무엇이 잘못되는지를 측정하고, 어떻게 이러한 장애가 발생하는지에 대한 단서를 얻을 것임. 유전자가 과하거나 덜 활동적인 것인지? 신경세포(neurons)가 시냅스를 너무 적거나 많게 형성하고 있는지? 이상적으로는 예방할 수 있는 방법을 식별해내는 것을 목표로 함.

 

실험의 결과는 뇌 발달 과학의 이해에 대한 공백을 메울 수 있을 것임. 수년 동안의 연구에 따르면 어머니가 임신 중 스트레스를 겪으면 자녀가 조현병이나 다른 신경발달장애에 걸릴 가능성이 높아진다고 함. 신경과학자인 리버뇌발달연구소 소장(Daniel Weinberger)은 어떤 경우에는 위험이 2~4배까지 더 큰 경우도 있다고 함. 이에 비하여 유전적인 변이(variants)는 조현병에 걸릴 확률을 부분적으로만 높임.

 

하지만 임신합병증과 조현병 사이에는 뇌의 블랙박스가 있음. Erwin은 태반의 고통이 유사 뇌에 어떤 영향을 미치는지를 측정하여 실제 크기 버전에서 어떤 일이 일어날지 배우기를 희망함.

 

인간의 유사장기는 질병이 어떻게 발전하는지 이해하고, 약의 효과를 확인하는 등 다양하게 사용되고 있음. 하지만 유사 뇌는 실제 뇌와 마찬가지로 다른 장기와는 윤리적인 지위가 다름. 어디까지 발전시킬 수 있도록 허용할지, 도덕적인 고려사항으로 무엇을 요구할지, 의식(conscious)을 가질 수 있을지 등에 대한 격렬한 논쟁과 정부지원연구(NIH The BRAIN Initiative; 국립보건원 뇌활성지도작성프로젝트)를 촉발시킴.

 

그러나 유사 태반과 함께 유사 뇌가 성장하는 것에 대해서는 생명윤리학자들이 비난하지는 않음.

 

위스생물공학연구소(Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering) 생명윤리학자(Jeantine Lunshof)는 이러한 유사장기모델을 만들고 연구하는 것에 대한 강력한 과학적·윤리적 이유가 있다고 주장함. “제가 아는 선에서는 뇌 발달에 태반기능장애가 미치는 영향을 시험할 수 있는 다른 방법은 없다면서 이는 답이 없는 큰 문제이며, 예방이나 치료로 이어질 수 있는 단서를 발견한다면 의학적·도덕적으로 엄청난 이익(good)을 가져올 것이라고 밝힘.

 

그렇다고 해서 계획된 연구의 경계를 뛰어넘는 본성이 지워지는 것은 아님.

 

리버뇌발달연구소는 실제 크기의 인간 뇌가 부족함. 4명의 검시관과 계약하여 매년 500여명의 뇌를 기증받고 있고, 현재 3000여명의 뇌를 보관하고 있음. 현재 임신 중 발생한 문제가 조현병을 어떻게 일으키는지 이해하기 위하여 탐색하고 있음. 의무기록에는 뇌 기증자가 조현병을 앓았는지, 임신 중 어떤 문제를 겪었는지가 나와 있음. 이 데이터는 당뇨, 산소결핍, 영양실조, 감염과 같은 산과합병증이 조현병 위험을 증가시킨다는 것을 명확하게 보여줌. 하지만 임신 중 발생한 문제가 심각한 정신질환을 일으킬 만큼 뇌 발달을 어떻게 근본적으로 방해했는지에 대해서는 알려주지 않고 있음.

 

이때 Erwin이 유사 태반과 유사 뇌를 만든 것임. 태반은 어머니와 연관되어야 할 것으로 보이지만, 사실은 완전히 동일한 수정란으로부터 온 것이며, 결국 아기를 만듦. 난자가 분할되면 낭세포(daughter cells)는 이 작은 연구용 장기를 만들기 시작함. 그 결과 태아와 유전적으로 동일함.

 

다른 유사장기를 만드는 경우와 마찬가지로 Erwin은 뇌가 건강한 기증자와 조현병을 앓다가 사망한 사람 모두 성인의 세포로 연구를 시작함. 뇌를 수축포장하듯 감싸는 단단한 막의 일부를 오려내어, 막의 세포를 배아와 같은 상태로 되돌아가도록 유전적으로 재프로그래밍함. 그 줄기세포는 신체의 어떤 특화된 세포로도 발달할 수 있음.

 

이후 연구진은 이러한 역분화줄기세포(induced pluripotent stem cells)를 생화학물질에 노출시켜 새로운 발달경로로 밀어내면 태반세포가 됨. 거대한 버전과 마찬가지로 세포는 자발적으로 스스로를 조직함. Erwin유사장기는 층이 있는 3차원 구조이며, 큰 덩어리 하나가 아니다라고 설명함.

 

유사 태반의 유전체(genome)는 세포를 제공한 성인과 동일함. 그러므로 사람이 9개월 동안 붙어있던 것도 태반과 같음.

 

Erwin은 쉐이커(shaker; 흔드는데 사용하는 용기)에 유사장기를 키워내는데, 인큐베이터 안에서 앞뒤로 부드럽게 움직이면서 영양분을 충분히 공급받도록 한다고 설명함. 역분화줄기세포가 외부 공격에 대한 반응을 모방하는 유사 태반으로 발전하는 데는 10일 정도가 걸림.

 

일단 그 시기에 도달하면, 중요한 것이 있음. 한 실험에서 그녀는 산소를 5%만 함유한 공기에서 유사장기를 성장시켜 임신 중 발생하는 문제를 시뮬레이션함. 예비결과에 따르면 유사장기는 생명을 유지하는 산소를 찾아 뻗는 돌출된 손가락 같은 작은 융모(villi)를 발달시킴. 산소가 부족한 실제 태반이 자궁내벽을 향하여 융모를 발달시키는 것과 유사함. 스트레스호르몬, 독감바이러스, 조현병 위험을 증가시키는 다른 요인도 유사 태반을 공격할 계획임.

 

머지않아 Erwin은 유사 뇌를 만들어 각각 생화학물질이 통과할 수 있는 막에 의하여 분리된 유사 태반과 같은 접시에 배양할 계획임. 모든 것이 잘 되면 유사 태반에 대한 공격이 유사 뇌에 에 어떤 영향을 미치는지 드러날 것임.

 

조현병 환자의 세포로 만들어낸 유사장기는 환자와 동일하게 조현병을 유발하는 유전적 변이를 가지고 있기 때문에, 유사장기는 유전자와 환경(이 경우 태반을 통해 걸러진 환경)이 조현병을 일으키기 위하여 어떻게 상호작용하는지를 시험하는 이상적인 방법임.

 

Weinberger유전자가 유일한 위험요소인 장애는 거의 없다고 밝힘. 반대로 올바른 환경은 질병을 일으키는 유전자를 침묵시킬 수 있는 반면, 잘못된 환경은 단순히 촉발시키는 정도가 아니라 유전자가 질병을 일으키는데 미치는 영향을 실제로 악화시킴.

 

2018nature medicine 저널에 실린 조현병 성인 2038명을 대상으로 한 연구에 따르면 Weinberger 연구진은 조현병의 위험을 높인 유전자에서 이상한 점을 발견함. Weinberger이 유전자들은 반드시 뇌에 관한 것은 아니다라고 말함. 대신 태반에서 가장 높게 발현된다고 함. 임신 중 합병증이 많을수록 조현병과 관련된 350개 유전자 중 일부의 발현 정도도 높아짐.

 

높게 발현된 유전자는 신경세포의 전형적인 기능과는 거의 관련이 없음. 대신 에너지를 생산하는 미토콘드리아 작동과 단백질 수송과 같은 일반적인 세포의 기능에 영향을 미침.

 

Weinberger는 이를 생애 초기 합병증, 유전적 위험, 정신질환을 연결하는 첫 번째 기전이라고 부르면서 그 연결고리는 태반이라고 말함.

 

만약 Erwin의 태반-뇌 결합 유사장기가 성공하면, 태반에서 유전자 수백 개의 활동 상승이 뇌 발달에 어떻게 영향을 미치는지 설명할 것임. 때로는 그 영향이 20년 후에 조현병을 일으킬 정도로 강력할 것임.

 

기사 및 사진 : https://www.statnews.com/2019/07/31/unraveling-psychiatric-disorders-with-placenta-brain-organoids/

저널 : https://www.nature.com/articles/s41591-018-0021-y

유사 뇌 관련 201972일 해외언론동향 : http://www.nibp.kr/xe/news2/146230

유사장기 등 뇌 연구 관련 2018426일 해외언론동향 : http://www.nibp.kr/xe/news2/117502

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