요약:
미국 스탠포드 대학의 연구원들은 획기적인 실험을 완료했습니다. 그들은 인간 줄기 세포에서 자란 피질 오가노이드를 뇌 조직의 일부가 정상적으로 발달하지 못한 유전자 변형 쥐에 이식하여 인간의 신경 조직과 쥐의 발달 중인 신경계 사이에 광범위하고 안정적인 연결을 구축했습니다. 실험 결과, 이식된 인간 조직은 쥐에게서 계속 성장했을 뿐만 아니라, 쥐의 뇌 및 척수와 신경 연결을 형성해 쥐가 깨어 있는 동안에도 활동을 유지하는 것으로 나타났다.
이 연구는 Nature 저널에 게재되었습니다. 연구자들은 인간의 뇌 오가노이드를 살아있는 동물의 신경계에 배치하는 이 방법이 인간의 뇌 발달, 신경 질환 및 맞춤형 치료를 연구하는 새로운 도구가 될 것으로 기대하고 있습니다. 또한 이를 통해 과학자들은 처음으로 인간의 신경 조직이 실제 생리학적 환경에 더 가깝게 성장하고, 연결되고, 작동하는 방식을 관찰할 수 있게 될 것입니다.
최근 몇 년 동안 인간 줄기세포를 사용하여 3차원 오가노이드를 성장시키는 것이 생물의학 연구에서 중요한 기술이 되었습니다. 연구자들은 오가노이드를 사용하여 뇌, 간, 피부와 같은 인간 조직을 시뮬레이션하여 질병 메커니즘을 연구하고, 조직 발달 과정을 관찰하고, 약물을 테스트할 수 있습니다. 그러나 결국 실험실 접시에 있는 오가노이드는 복잡한 혈액 공급, 신경 연결 및 실제 인체의 여러 기관 간의 상호 작용이 결여된 상대적으로 고립된 조직 모델일 뿐이므로 일부 복잡한 질병을 연구하는 데는 여전히 명백한 한계가 있습니다.
오가노이드를 살아있는 동물에 이식하면 이러한 문제 중 일부를 해결할 수 있지만 이전 연구에서도 중요한 한계에 직면했습니다. 인간의 뇌 조직은 설치류와 같은 속도로 발달하지 않으며, 인간의 피질 오가노이드를 정상적으로 발달하는 쥐나 쥐의 뇌에 직접 이식하면 숙주 동물의 신경계가 빠르게 성숙하여 인간 조직이 계속 성장하고 복잡한 연결을 구축할 수 있는 공간이 제한될 수 있습니다.
그래서 스탠포드 대학 연구팀은 특별한 쥐 모델을 사용했습니다. 그들은 해마와 뇌의 외부 피질을 형성하는 데 필요한 조직의 일부가 부족하도록 생쥐를 유전적으로 조작하여 이식된 인간 피질 오가노이드를 위한 충분한 공간을 남겨 두었습니다. 이러한 방식으로 쥐의 뇌가 발달함에 따라 인간의 신경 조직도 계속 성장할 수 있으며 보다 자연스러운 방식으로 숙주 신경계와 연결될 수 있습니다.
그런 다음 연구자들은 인간 줄기 세포에서 성장한 피질 오가노이드를 이들 쥐의 뇌에 이식했습니다. 결과는 생쥐에서 인간 조직이 생존했을 뿐만 아니라 계속해서 확장되어 결국 생쥐 피질 조직의 약 92%를 차지한다는 것을 보여주었습니다. 이 규모는 전통적인 오가노이드 이식 실험에서 일반적으로 달성되는 것보다 훨씬 높습니다.
더 중요한 것은 이러한 인간의 신경 조직이 쥐의 뇌와 독립된 '플러그인 기관'이 되지 않았다는 것입니다. 연구원들은 형광 라벨을 사용하여 인간 오가노이드의 뉴런이 수많은 신경돌기를 마우스 신경 조직으로 확장하고 숙주 신경계와 연결을 확립한다는 것을 관찰했습니다. 동시에 전기적 활동이 감지되면서 인간 조직과 쥐의 뇌 사이의 신경 신호 교환도 밝혀졌습니다.
또한 실험에 따르면 이 연결에는 이미 일부 기능이 있는 것으로 나타났습니다. 연구자들은 생쥐의 움직임 행동을 관찰한 후 이식된 인간 신경 조직이 생쥐 사지의 운동 활동에 영향을 미칠 수 있음을 발견했습니다. 이는 인간 조직이 생쥐 뇌에 수동적으로 존재하는 것이 아니라 어느 정도 숙주 신경계의 기능에 참여한다는 것을 의미합니다.
이 연구에 참여하지 않았지만 세인트 빈센트 병원의 신경과학자인 브라이스 비셀(Bryce Vissel)은 이번 결과가 신경 질환에 대한 환자 맞춤형 치료법을 개발하는 데 새로운 연구 방법을 제공할 수 있다고 믿습니다. 그는 인간에게 이식된 조직이 쥐의 뇌와 척수에 연결될 수 있었고 동물이 깨어 있는 동안에도 활동을 유지할 수 있어 병든 뇌를 복구하는 방법에 대한 향후 연구에 새로운 가능성이 열렸다고 말했습니다.
그러나 이 실험은 명백한 윤리적 문제도 제기합니다. 연구자들은 실제로 인간과 쥐의 신경 조직으로 구성된 하이브리드 신경계를 만들었습니다. 숙주동물에서 인체조직이 차지하는 비중이 점점 높아지고 성숙해짐에 따라, 이 동물이 일반 쥐와 다른 신경학적 능력을 가지고 있는지를 어떻게 판단할 것인가는 피할 수 없는 문제가 되었다.
Vissel은 정말로 결정적인 후속 실험은 이식된 인간 신경 조직을 적극적으로 강화하거나 억제한 다음, 쥐의 인식, 학습 능력 또는 행동이 그에 따라 변하는지 관찰하는 것이라고 믿습니다. 쥐의 이러한 능력이 인간 조직의 활동에 반응하여 변화한다면, 이는 인간의 신경 조직이 이미 동물 자신의 능력에 인과적으로 관련되어 있음을 의미합니다.
모나쉬 대학의 전산 신경과학자인 아딜 라지(Adeel Razi)도 동물의 신경계와 함께 향후 이식 조직의 성숙도, 규모, 기능적 통합이 계속 증가함에 따라 관련 윤리적 문제가 점점 더 부각될 것이라고 믿습니다. 그는 연구할 가치가 있는 실제 문제는 단순히 '쥐의 뇌가 인간화되었는지 여부'를 판단하는 것이 아니라 인간 뇌세포가 인간이 아닌 동물 환경에서 발달하고 학습한 후 신경 계산 방법이 어떻게 변화하는지 관찰하는 것이라고 믿습니다.
연구팀은 이 실험이 현재 적용되는 윤리 규정 및 안전 요구 사항을 준수했다고 밝혔습니다. 그러나 연구진은 향후 쥐의 뇌에서 인간 신경조직의 비율이 더 높아지거나 이식된 인간 조직이 더욱 성숙해진다면, 기술이 성숙된 이후에 이러한 문제를 수동적으로 다루기보다는 이에 상응하는 윤리적 규범이 사전에 확립되어야 한다고 분명히 지적했다.
윤리적 논란에도 불구하고 이 기술은 여전히 광범위한 의학 연구 가치를 갖고 있습니다. 연구자들은 인간의 뇌 조직과 살아있는 동물을 결합한 이 모델을 사용하여 인간의 뇌 발달 과정을 더 깊이 연구하고 환자 자신의 세포를 사용하여 신경 조직을 성장시키는 방법을 탐구하여 보다 맞춤화된 치료법을 개발할 수 있기를 희망합니다. 미래에는 이러한 모델을 사용하여 신경 질환을 연구하고 과학자들이 환자에게 명백한 증상이 나타나기 전에 질병 관련 생물학적 변화를 찾는 데 도움을 줄 수 있습니다.
이번 연구의 의의는 기존 뇌 유기체의 한계를 더욱 뛰어넘었다는 점입니다. 과거에 과학자들은 페트리 접시에서 비교적 분리된 인간 신경 조직 덩어리만을 관찰할 수 있었습니다. 이제 인간의 뇌 유기체는 살아있는 동물의 뇌 환경에서 계속해서 발달할 수 있으며, 숙주의 신경계와 실제 기능적 연결을 형성할 수 있습니다. 관련 기술이 계속 발전함에 따라 동물에서 인간의 신경 조직이 어느 정도까지 발달할 수 있는지, 그리고 이러한 하이브리드 신경계를 어떻게 윤리적으로 정의해야 하는지는 향후 신경과학 연구에서 직면해야 할 중요한 문제가 될 것이다.
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