뇌를 구성하는 신경세포는 신경줄기세포로 불리는 세포가 태아기로 성장할때 만들어진다.
이 신경줄기세포는 자기복제가 가능하며 뇌를 구성하는 주요 3종류의 세포 Neuron ,Astrocyte, Oligodendrocyte 를 생산 다분화기능이 있다. 즉, 신경줄기세포는 자기복제능(분화없이 자신의복사를 만든다)과 다분화 기능(여러 가지 세포로 분화할 수 있는)이라고 하는 전혀 다른 능력을 가진 것이다.
그러나 신경줄기세포가 어떤 메커니즘으로 자기복제능과 다분화기능을 유지하고 세포분화를 할 때에 3가지 선택지에서 어느 하나를 선택할 것인지(세포분화운명결정)를 알 수 없었다.
이 메커니즘을 해석할 수 있다면 뇌신경계의 발생기구 규명으로 이어질 뿐만 아니라 뇌손상이나 신경변성질환에 대한 재생의료의 실현을 위한 기반과 지식이 된다.
신경줄기세포의 자기복제와 세포분화 제어에 대해서는 지금까지의 연구에서 복수의 특정 단백질(bHLH형 전사인자)이 관여하고 있는 것을 알고 있다.
신경줄기세포의 미분화성 유지와 아스트로사이트로의 분화를 제어하는 단백질은 “Hes1″이며, 뉴런으로의 분화를 제어는 “Ascl1″로, 올리고데이로사이트로의 분화를 제어하는 것은 “Olig2″다.
신경줄기세포 를 통한 뇌질병 및 난치병 치료
기세포는 스스로 분열하고 필요한 세포로 분화하며, 병변부위로 찾아가는 특징을 갖고 있습니다. 이러한 기본적인 특징을 이용하여 뇌 질환 환자에 줄기세포를 투여함으로써 뇌의 병변부위로 줄기세포를 이끌어 들여 (Homing effect), 뇌를 구성하는 중요한 세포들인 neuron, astrocyte, oligodendrocyte 로 분화(differentiation)되고, 손실된 세포를 보충하거나 대치하며, 사멸세포를 방지하거나 되 내의 성장인자를 분비하는 등의 원리로 치료가 이루어 집니다.
뇌질병 치료 메카니즘
- 생착: 신경계에 생착 및 통합
- 보충: 신경계 전체에 광범위하게 이주하므로 국소성 및 전신성 신경계질환에서 손상된 신경세포를 대체 및 재생
- 분화: 구조적, 기능적으로 적절한 신경계 세포로 분화 • 분비: 뇌 병변 및 사멸 가능성이 높은 세포(neuron)를 neurotrophic factor 나 anti-apoptotic protein를 분비함으로 사 열 방지
- 생성 혈관 신생 촉진 및 혈관으로 transdifferentiation • 회복: Host와의 Dynamic interaction 혹은 Cross talk를 통해 손상된 뇌의 brain connectivity 회복
- 촉진 : Neural process의 성장 촉진 – 항산화 전신성 항산화 작용을 통한 Oxidative stress 감소
- 안정화 병적인 뇌 염증이나 상처 (scarring)의 감소 및 미세환경 안정화
치료 가능한 뇌질병 및 난치병
뇌경색, 뇌출혈, 뇌경색 후유증, 뇌출혈후유증, 뇌 외상후유증, 척추손상, 소뇌위축증, 헌팅턴, 소아마비, 다발성위축, 파 킨슨 병, 치매, 버거씨병, 운동성신경병, 탈수초성질환, 식물인간, 기얀바레 증후군. 허혈성되병, 간질, 뇌발육 불량 등
치료의 안전성
- 줄기세포의 이식은 간단한 정맥주사로 수행되며 이식 시 수반되는 부작용 없음
- 줄기세포 이식 후 인위적인 조작 없이 손상된 부위로 스스로 찾아 가는 능력을 갖고 있음
- 줄기세포 이식 시 면역 반응이 거의 없음
- 성체줄기세포이므로 윤리적으로 안전함
치료를 위한 이식법 및 반응
- 간단한 검사 및 환자 상태 파악
- 정맥을 통한 줄기세포 이식: 대량의 줄기세포 배양 기술 확립으로 가능
- Monitoring 을 통해 환자 상태 파악 줄기세포 투여 전 후 환자의 신체 변화 확인
- 일반적인 경우 특별한 반응없이 이식이 종료, 다만 일부 환자에서 1~2시간 이내 미열, 혈압상승, 오한 등의 몸살 감 기 증상이 나타났다 30분 이내 종료 됨(정상적인 반응)
치료 효과
효과 발생 기간: 일반적으로 1~ 12개월 평균 6개월), 이식된 신경줄기세포가 병변 부위로 이동, 생착, 분화
초기 효과 이식된 신경줄기세포의 분비 호르몬에 의한 세포 활성 및 세포 사멸 억제 기능
후기 효과 신경 줄기세포의 생착, 분화를 톨한 죽은 세포의 교체와 새로운 세포로의 성장
신경줄기세포를 이용한 뇌조직 재생 기술 개발
일본의 북해도 대학에서는 신경줄기세포를 이용한 뇌조직 재생 기술을 개발하였습니다. 이 기술은 특히 뇌 손상을 입은 환자들에게 희망을 가져다 주었읍니다..
뇌 손상은 외상, 뇌경색, 뇌종양 제거 등으로 인해 발생하며, 이러한 손상은 뇌조직의 자연 재생을 방해합니다. 이는 뇌에 존재하는 세포들이 손상 부분을 메우는 ‘밴드’ 역할을 하는 세포의 발판을 만들 수 없기 때문입니다. 또한, 신경세포 자체가 증식 능력이 부족하기 때문에 손상 부분에는 공동이 형성되어, 뇌조직에 있는 신경세포나 글리아 세포가 이동하거나 혈관을 뻗어나갈 수 없게 됩니다.
이에 대한 해결책으로, 연구팀은 뇌의 공동 부분에 젤을 채워 넣어 세포의 발판을 만드는 것을 통해 신경조직을 재구성하는 기술을 개발하였습니다.
먼저, 신경계 세포의 기원인 신경줄기세포가 잘 부착되고 발판이 될 수 있는 젤을 만들었습니다. 젤의 원료인 양전하를 가진 단량체와 음전하를 가진 단량체를 다양한 비율로 섞어 중합시켜 보았는데, 1:1로 동등하게 섞은 젤(C1A1 젤)에 신경줄기세포가 잘 부착되었습니다. 이 C1A1 젤을 기반으로 세포가 잘 들어갈 수 있는 구멍을 무수히 뚫은 구조인 C1A1 다공성 젤을 만들었습니다.
다음으로, 뇌 손상 모델로서 마우스의 뇌에 직경 1mm의 공동을 만들고, 이 공동 부분에 C1A1 다공성 젤을 채워 넣었습니다. 약 2주 후에는, 채워 넣은 젤 안에는 주변 뇌조직에서 혈관이 뻗어 들어오고, 또한 대식세포 등의 염증 세포가 이동하였습니다. 혈관망이 형성된 후에 젤 내부에 신경줄기세포를 주입하였더니, 약 3주 후에는 신경세포나 글리아 세포가 혈관망 안에 확인되었고, 젤을 발판으로 한 신경조직의 재구성에 성공하였습니다.
이 연구 결과는 2023년 2월 14일에 Scientific Reports에 온라인으로 게재되었습니다. 이 기술은 뇌 손상 치료의 미래를 열어줄 기초 기술이 될 것으로 기대됩니다.
참고문헌: Engineering of an electrically charged hydrogel implanted into a traumatic brain injury model for stepwise neuronal tissue reconstruction
