연구자들은 인간의 신경줄기세포를 사용하여 뇌의 가장 바깥층인 대뇌피질의 구조를 모방한 기능성 뇌 조직을 3차원으로 인쇄했습니다. 이 획기적인 기술은 뇌 손상에 대한 맞춤형 치료를 제공할 것을 약속합니다.우리의 뇌는 외상, 뇌졸중, 간질, 종양 제거 수술로 인해 손상될 수 있는 섬세하고 복잡한 구조를 갖고 있어 의사소통, 움직임, 인지에 어려움을 겪게 됩니다. 이식된 줄기세포는 손상된 뇌 조직을 재생시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있지만, 지금까지 줄기세포를 사용하여 뇌 구조를 재건하는 것은 어려웠습니다.
새로운 연구에서 옥스포드 대학의 연구원들은 인간 신경 줄기 세포의 3D 프린팅을 사용하여 쥐의 뇌 조직과 구조적, 기능적으로 통합된 이중층 뇌 조직을 만들었습니다.
이번 연구의 교신저자 중 한 명인 Linna Zhou는 "우리의 비말 인쇄 기술은 원하는 구조로 살아있는 3차원 조직을 설계하는 방법을 제공하며, 이를 통해 뇌 손상에 대한 맞춤형 임플란트 치료법을 만드는 데 더 가까워졌습니다."라고 말했습니다.
인간 유도만능줄기세포(hiPSC)는 조직 재생 치료에 큰 잠재력을 가지고 있습니다. 이는 체세포에서 추출한 인공 줄기세포로, 배아줄기세포와 유사한 상태로 유전적으로 재프로그램되어 신체의 어떤 세포 유형으로도 분화할 수 있는 독특한 능력을 부여합니다.
이번 연구에서 연구진은 먼저 hiPSC를 대뇌 피질의 상층과 심층을 형성하는 데 사용되는 두 가지 유형의 신경 전구 세포로 분화했습니다. 이러한 층별 전구 세포는 두 개의 바이오잉크를 만드는 데 사용되었으며 3차원 액적 인쇄 기술을 사용하여 층상 조직으로 인쇄되었습니다. 인쇄된 전구 세포를 성숙시키고 층상 조직을 살아있는 마우스 뇌 조직에 이식하기 일주일 전에 성장과 활동을 모니터링했습니다.
이식된 조직은 신경 과정(신경 신호를 전달하고 전달하는 손가락과 같은 과정)의 형성과 이식 장치와 숙주 사이의 경계를 가로지르는 뉴런의 이동을 포함하여 쥐의 뇌 세포와 긴밀하게 통합되어 있음을 보여주었습니다. 이식된 세포는 또한 숙주 세포와 관련된 신호 활성을 나타내었는데, 이는 세포가 서로 통신하고 기능적, 구조적 통합을 나타냈음을 나타냅니다.
이번 연구의 또 다른 교신 저자인 Zoltán Molnár는 "인간 두뇌의 발달은 복잡하게 조율된 미묘하고 섬세한 과정입니다. 실험실에서 전체 세포 발달 과정을 재현할 수 있다고 생각하는 것은 순진한 생각입니다. 그러나 우리의 3D 프린팅 프로젝트는 우리가 대뇌 피질의 기본 기능 단위를 형성하기 위해 인간 iPSC의 운명과 배열을 제어하는 데 상당한 진전을 이루었음을 보여줍니다."라고 말했습니다.
인간의 대뇌 피질에는 최대 6개 층의 신경 세포가 있기 때문에 연구진은 3차원 물방울 인쇄 기술을 개선하여 보다 복잡한 다층 조직을 만들어 뇌 구조를 보다 현실적으로 시뮬레이션할 계획입니다. 인쇄된 조직은 잠재적으로 뇌 손상을 복구하는 데 사용될 수 있을 뿐만 아니라 약물 테스트, 뇌 발달 연구 및 인지에 대한 이해 향상에도 사용될 수 있다고 말합니다.
연구의 제1저자인 Jin Yongcheng은 "이러한 진전은 자연 뇌 조직의 완전한 구조와 기능을 갖춘 물질을 만들려는 우리의 노력에서 중요한 단계입니다. 이 연구는 인간 대뇌 피질의 작동 원리를 탐구할 수 있는 독특한 기회를 제공할 것이며 장기적으로는 뇌 손상 환자들에게 희망을 가져다 줄 것입니다."라고 말했습니다.
이번 연구는 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 저널에 게재됐다.