2022년 3월 과학기술인상, 연세대 조승우 교수 선정..

줄기세포와 조직공학을 기반으로 고도화된 인공 뇌 구현
 

 

과학기술정보통신부(이하 ‘과기정통부’)와 한국연구재단(이하 ‘연구재단’)은 이달의 과학기술인상 3월 수상자로 연세대학교 생명공학과 조승우 교수를 선정했다고 밝혔다.
‘이달의 과학기술인상’은 우수한 연구개발 성과로 과학기술 발전에 공헌한 연구개발자를 매월 1명씩 선정하여 과기정통부 장관상과 상금 1천만 원을 수여하는 시상이다. 

과기정통부와 연구재단은 첨단재생의료 기술 개발에 매진해온  조승우 교수가 줄기세포와 조직공학을 기반으로 인공 뇌를 구현하고, 뇌를 외부물질로부터 보호하는 혈뇌장벽(blood-brain barrier)을 모사한 장기칩(organ on a chip)을 개발해 난치성 뇌 질환 연구의 지평을 넓힌 공로를 높이 평가했다고 밝혔다. 

‘인공 뇌’는 뇌 연구를 위해서 줄기세포를 배양하거나 재구성해 만드는 체외 모델로서, 배양 시스템의 한계로 인하여 기존의 연구는 태아 뇌 수준의 발달 단계에 머물러 있다.
조승우 교수는 뇌 조직 환경과 유사한 삼차원 배양 매트릭스와 인공 뇌 중심부까지 산소와 영양분을 원활히 공급할 수 있는 핵심 칩을 개발해 기존 방식 보다 구조적으로 성숙하며, 신경 기능이 증진된 신생아 뇌 수준의 실험용 인공 뇌 제작에 성공했다. 
또한, 조승우 교수는 외부 물질과 병원균을 선택적으로 투과하여 뇌를 보호하는 혈뇌장벽*을 모사한 장기칩** 제작에도 성공했다. 장기의 미세환경을 모사한 장기칩은 실제와 유사한 생체반응을 유도할 수 있어 신약개발에 효과적으로 활용된다. 

  *혈류 속의 박테리아 등 해로운 물질이 뇌로 침입하는 것을 막는 장벽

**전자회로 위에 특정 장기 세포를 배양하여 해당 장기의 특성을 모방하는 기술 

하지만 혈뇌장벽은 구조 및 세포 성분이 복잡하고 투과막의 기능 구현이 어려워 그동안 혈뇌장벽 장기칩 개발에 난항을 겪어 왔다.  
연구팀은 뇌혈관세포와 신경줄기세포 사이에 혈뇌장벽 장기칩을 구현하고, 뇌 염증을 유발하는 병원성 곰팡이균의 감염 실험을 진행하여 균의 뇌 침투 기전 및 관련한 유전자 규명에 성공했다. 
인공 뇌 개발 성과는 ‘21년 8월 ’네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)‘에, 혈뇌장벽칩 제작 결과는 ’네이처 바이오메디컬 엔지니어링(Nature Biomedical Engineering)‘ ’21년 8월 표지논문으로 게재됐다. 
조승우 교수는 “동 연구는 줄기세포와 조직공학 기술을 융합하여 기존 방식보다 신경기능이 증진된 인공 뇌를 제작한데 의의가 있다.”며 “향후 치매, 파킨슨병 등 난치성 뇌신경질환 기전을 규명하고 치료제를 발굴하는 체외 모델로 활용되길 바란다.”고 밝혔다. 
 

22년 3월 수상자(조승우 교수) 주요 연구성과 설명
<줄기세포와 조직공학 기반으로 인공 뇌 및 혈뇌장벽 인공칩 제작>

ㅇ 뇌 조직 모사 배양 시스템을 이용한 인간 인공 뇌 제작
뇌 오가노이드는 현재 인간 뇌 연구를 위한 최적의 체외 모델로 각광받고 있으나 배양 시스템의 한계로 인해 아직 대부분 태아 수준의 발달 단계에 머물러 있다. 본 연구에서는 뇌 조직의 미세환경과 유사한 삼차원 배양 매트릭스와 뇌 오가노이드의 중심부까지 원활히 산소와 영양분을 공급할 수 있는 미세유체 칩을 이용하여 기존 방식 보다 크기가 더 크고 구조가 더욱 성숙하고 신경 기능이 증진된 인간 인공 뇌를 제작하였다. 향후 치매, 파킨슨병 등 난치성 뇌 질환 기전 연구 및 치료제 개발을 위해 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

ㅇ 인간 혈뇌장벽을 모사한 인공 칩 제작 및 뇌 감염병 모델링
외부 물질과 병원균으로부터 뇌를 보호하는 혈액-뇌 장벽은 뇌 조직으로의 약물 전달 및 뇌 감염병 연구에 있어 매우 중요하지만 마땅한 체외 모델이 없는 실정이다. 본 연구에서는 미세한 채널구조를 가진 칩에 뇌 조직을 모사하는 환경을 조성하고 신경줄기세포, 뇌혈관세포를 배양하여 실제 혈뇌장벽의 구조와 기능을 모사한 인공 칩을 제작하였다. 혈뇌장벽 칩은 실제와 같은 선택적인 투과성을 보여주었고 뇌 염증을 유발하는 병원성 곰팡이균의 감염 실험을 진행하여 균의 뇌 침투 기전과 관련 유전자를 규명할 수 있었다. 향후 뇌 감염증 치료 물질 및 혈뇌장벽을 투과할 수 있는 화합물을 발굴하는데 활용될 수 있을 것으로 기대된다.