생리학적 및 병리학적 조건에서 네트워크 활동을 모델링하기 위한 효과적인 도구를 제공하여 조직 내 및 조직 간에 기능적 신경 네트워크를 형성하는 3D 생체 인쇄 인간 뇌 조직을 생성한다.(제공: Yuanwei Yan, Xueyan Li, Yu Gao, Anita Bhattacharyya, Xinyu Zhao, Su-Chun Zhang)
위스콘신 대학교 매디슨(University of Wisconsin-Madison) 과학자들은 일반적인 뇌 조직처럼 성장하고 기능할 수 있는 최초의 3D프린팅 뇌 조직을 개발했다.
UW-매디슨 대학 와이즈만 센터의 신경과학 및 신경학 교수인 수춘 장(Su-Chun Zhang)은 "이것은 인간의 뇌 세포와 뇌의 일부가 어떻게 소통하는지 이해하는 데 도움이 되는 매우 강력한 모델이 될 수 있다"라고 말한다. “그것은 우리가 줄기세포 생물학, 신경과학, 그리고 많은 신경 및 정신 질환의 병인을 보는 방식을 바꿀 수 있다.
"이것은 뇌를 연구하고 알츠하이머병이나 파킨슨병과 같은 광범위한 신경학적, 신경발달 장애에 대한 치료법을 연구하는 과학자들에게 중요한 의미를 갖는 성과이다."
장 연구실의 과학자인 장과 옌 위안웨이(Yuanwei Yan)에 따르면 인쇄 방법은 뇌 조직을 인쇄하려는 이전 시도에서 제한적인 성공을 거두었다. 새로운 3D프린팅 프로세스를 뒷받침하는 그룹은 최근 Cell Stem Cell 저널(오픈 액세스)에 자신의 방법을 설명했다.
유도만능줄기세포에서 성장한 수평 프린팅
레이어를 수직으로 쌓는 전통적인 3D프린팅 접근 방식 대신 연구원들은 수평으로 작업했다. 그들은 또한 유도된 다능성 줄기 세포에서 성장한 뉴런을 이전 시도보다 더 부드러운 "바이오 잉크" 젤에 위치시켰다.
"조직은 여전히 서로 결합할 수 있을 만큼 충분한 구조를 가지고 있지만 뉴런이 서로 자라서 서로 대화를 시작할 수 있을 만큼 충분히 부드럽다."라고 장은 말한다. 세포는 탁상 위에 연필을 나란히 놓는 것처럼 서로 옆에 놓여 있다.
“우리의 조직은 상대적으로 얇기 때문에 뉴런이 성장 배지로부터 충분한 산소와 영양분을 쉽게 얻을 수 있다.”라고 옌은 말한다.
인간의 두뇌에 버금가는 네트워크 형성
인쇄된 세포는 매체를 통해 도달하여 인쇄된 각 층 내부는 물론 여러 층에 걸쳐 연결을 형성하여 인간의 두뇌와 유사한 네트워크를 형성한다. 뉴런은 통신하고, 신호를 보내고, 신경 전달 물질을 통해 서로 상호 작용하고, 인쇄된 조직에 추가된 지지 세포와 적절한 네트워크를 형성하기도 한다.
장은 “우리는 대뇌 피질과 선조체를 인쇄했는데 매우 놀라운 사실을 발견했다.”라고 말했다. “우리가 뇌의 서로 다른 부분에 속하는 서로 다른 세포를 인쇄했을 때에도 그들은 여전히 매우 특별하고 특정한 방식으로 서로 대화할 수 있었다.”
인쇄 기술은 뇌 유기체(뇌를 연구하는 데 사용되는 소형 기관으로 덜 조직화되고 제어되면서 성장함)에서는 발견되지 않는 세포의 유형과 배열에 대한 정밀한 제어를 제공한다.
“우리 연구실은 언제든지 거의 모든 유형의 뉴런을 생산할 수 있다는 점에서 매우 특별하다. 그런 다음 우리는 거의 언제든지 원하는 방식으로 그것들을 하나로 모을 수 있다.”라고 장은 말한다. “우리는 설계에 따라 조직을 인쇄할 수 있기 때문에 인간 두뇌 네트워크가 어떻게 작동하는지 볼 수 있는 정의된 시스템을 가질 수 있다. 우리는 원하는 것을 정확하게 인쇄할 수 있기 때문에 특정 조건에서 신경 세포가 서로 어떻게 대화하는지 매우 구체적으로 볼 수 있다.”
뇌질환을 연구하다
이러한 특이성은 유연성을 제공한다. 인쇄된 뇌 조직은 다운증후군 세포 간 신호 전달, 건강한 조직과 알츠하이머병에 걸린 인접 조직 간의 상호 작용, 신약 후보 테스트, 심지어 뇌 성장 관찰 등을 연구하는 데 사용될 수 있다.
“과거에는 한 번에 하나씩 살펴보는 경우가 많았기 때문에 일부 중요한 구성 요소를 놓치는 경우가 많았다. 우리의 두뇌는 네트워크에서 작동한다. 세포는 스스로 작동하지 않기 때문에 우리는 뇌 조직을 이런 식으로 인쇄하고 싶다. 그들은 서로 이야기한다. 이것이 우리의 뇌가 작동하는 방식이며, 이를 진정으로 이해하려면 이와 같이 모두 함께 연구해야 한다.”라고 장은 말한다.
“우리의 뇌 조직은 와이즈만 센터의 많은 사람들이 연구하고 있는 거의 모든 주요 측면을 연구하는 데 사용될 수 있다. 뇌 발달, 인간 발달, 발달 장애, 신경퇴행성 장애 등의 기초가 되는 분자 메커니즘을 살펴보는 데 사용할 수 있다.”
다른 실험실에서 접근 가능
새로운 인쇄 기술은 또한 많은 연구실에서 접근 가능해야 한다. 조직을 건강하게 유지하기 위해 특별한 바이오 프린팅 장비나 배양 방법이 필요하지 않으며 이미 현장에서 흔히 사용되는 현미경, 표준 이미징 기술 및 전극을 사용하여 심층적으로 연구할 수 있다.
연구원들은 인쇄된 조직 내에서 세포의 특정 방향을 허용하도록 바이오 잉크를 더욱 개선하고 장비를 개선하여 전문화의 잠재력을 탐구하고 싶다고 말했다.
“현재 우리 프린터는 벤치탑 상용 프린터이다.”라고 옌은 말한다. "우리는 필요에 따라 특정 유형의 뇌 조직을 인쇄하는 데 도움이 되는 몇 가지 전문적인 개선을 할 수 있다."
이 연구는 NIH-NINDS(NS096282, NS076352, NS086604), NICHD(HD106197, HD090256), 싱가포르 국립 의학 연구 위원회(MOH-000212, MOH-000207), 싱가포르 교육부(MOE2018- T2-2-103), 파킨슨병 전반에 걸친 과학 정렬(ASAP-000301), Bleser Family Foundation 및 Busta Foundation.
인용: Yuanwei Yan et al. 기능적 연결성을 갖춘 인간 신경 조직의 3D 바이오프린팅. 세포 줄기세포. https://doi.org/10.1016/j.stem.2023.12.009 (오픈액세스)
