생화학분자생물학회

신경 오가노이드 및 어셈블로이드 활용 퇴행성 신경질환 연구

(Neural Organoids and Assembloids for Neurodegenerative Disease Research)

신민경: 아주대학교 의과대학 약리학교실 (mkshin@ajou.ac.kr)  

조중현: 아주대학교 의과대학 약리학교실 (junghyunjo@ajou.ac.kr)

1. 서론

퇴행성 신경질환(Neurodegenerative diseases)은 중추신경세포의 점진적 손실과 기능 저하를 특징으로 하는 질환군으로, 대표적으로 알츠하이머병(Alzheimer's disease), 파킨슨병(Parkinson's disease), 헌팅턴병(Huntington's disease), 근위축성 측삭경화증(Amyotrophic lateral sclerosis, ALS) 등이 있다. 이러한 질환들은 복잡한 발병 기전과 다양한 유전적·환경적 위험 요인이 관여하기 때문에, 현재까지 근본적인 치료법이 개발되지 않아 여전히 난치성 질환으로 남아 있다. 특히, 초고령화 사회로의 진입과 함께 유병률이 증가하고 있으며, 이에 따른 사회·경제적 부담도 지속적으로 증가하고 있는 추세이다.

그동안 퇴행성 신경질환의 병리 기전과 치료법 개발을 위해 동물 모델을 비롯한 다양한 연구 모델들이 사용되어 왔지만, 인간과의 생리적 차이로 인해 실제 인간 신경계에서 나타나는 병리 현상을 완전히 재현하기에는 한계가 존재했다. 이러한 이유로 퇴행성 신경질환의 인간 특이적 발병 기전을 보다 정확하게 반영할 수 있는 새로운 연구 모델 개발의 필요성이 대두되었다.

이를 극복하기 위한 돌파구로서, 인체 장기를 모사하는 3차원 조직체인 오가노이드 제작 기술이 개발되어 왔으며, 특히 신경 오가노이드(neural organoid) 및 어셈블로이드(assembloid) 기술의 발전은 인간 중추신경계를 3차원적으로 모델링함으로써 퇴행성 신경질환 연구에 새로운 접근법을 제시하게 되었다. 신경 오가노이드는 줄기세포로부터 유래하여 인간 뇌 발달의 초기 과정을 모방하는 3차원 구조체로, 다양한 유형의 신경세포와 비신경세포 간의 상호작용을 관찰할 수 있는 모델로 활용되고 있다 (1). 나아가, 단일 신경 오가노이드의 한계를 극복하기 위해 서로 다른 뇌 영역을 모사한 오가노이드를 융합하여 보다 복잡한 신경 회로와 세포 간 상호작용을 재현할 수 있으며, 기존의 2차원 신경세포 배양 시스템이 가진 한계를 보완할 수 있다. 더욱이, 신경 어셈블로이드는 뇌 영역 간 신경세포 연결을 통한 신경회로의 발달, 신경전달물질에 의한 시냅스의 기능, 교세포의 역할 등 다양한 신경학적 과정을 연구할 수 있는 새로운 가능성을 열어주고 있다.

본 소식지에서는 신경 오가노이드 및 어셈블로이드의 개념과 제작 기술을 소개하고, 이를 활용한 퇴행성 신경질환 연구의 최신 동향을 분석하며, 향후 치료제 개발 및 연구 발전 가능성을 소개하고자 한다. 

그림 1. 인간전분화능 줄기세포 유래 신경 오가노이드 및 어셈블로이드 제작 및 활용

2. 본론

2-1. 신경 오가노이드 및 어셈블로이드 개념과 기술적 발전

신경 오가노이드는 배아줄기세포 또는 유도만능줄기세포에서 유래되며, 신경발생 과정을 부분적으로 재현할 수 있는 3차원 조직 모사체이다. 기존의 2차원 세포 배양 모델과 달리, 신경 오가노이드는 보다 복잡한 세포 상호작용과 조직 특성을 재현할 수 있으며, 신경세포의 성장, 분화, 네트워크 형성을 보다 자연스럽게 모사할 수 있다 (2). 신경 어셈블로이드는 오가노이드 기술을 확장한 개념으로, 서로 다른 뇌 영역 오가노이드를 결합하여 뇌 영역 및 신경세포간 연결을 통해 신경회로를 구축하는 진보된 오가노이드 복합체이다 (3, 4). 최근 연구에서는 신경 오가노이드의 성숙도를 향상시키기 위한 다양한 시도가 이루어지고 있는데, 신경세포의 기능적 연결을 강화하고 보다 복잡한 신경 네트워크를 형성하기 위해 혈관화 모델이 개발되고 있으며 (5), 교세포의 기능 및 신경염증을 정밀하게 모사할 수 있도록 성상세포 및 미세아교세포와 함께 배양하는 연구가 진행 중이다 (6). 또한, 특정 신경 질환 모델링을 위해 유전자 편집 기술(CRISPR-Cas9 등)이 적용되며, 이를 통해 질병 특이적인 유전자 변이를 가진 뇌조직을 분석하여 신경 질환 연구에 오가노이드 기술이 활용되고 있다 (7).

고도화된 신경 어셈블로이드 기술의 발전은 신경계 질환 연구에 새로운 가능성을 열어주고 있다. 서로 다른 신경세포 유형을 포함한 다중 뇌 영역 모델이 개발되고 있으며, 이를 통해 신경세포 간 장거리 연결(long-range connectivity)을 연구할 수 있는 기반이 마련되고 있다 (8). 이러한 기술을 활용하면 대뇌피질-해마, 대뇌피질-기저핵 간 연결과 같은 보다 복잡한 신경 회로를 모델링할 수 있으며, 특정 신경 질환에서 이러한 연결의 이상이 어떻게 발생하는지를 정밀하게 분석할 수 있다. 이처럼 신경 오가노이드 및 어셈블로이드 기술은 기존의 2D 배양 모델이나 동물 모델이 제공하지 못했던 인간 신경계의 미세환경을 보다 정밀하게 반영할 수 있는 도구로 자리 잡고 있으며, 향후 퇴행성 신경질환 연구 및 치료법 개발에 중요한 역할을 할 것으로 예상된다.

2-2. 신경 오가노이드 및 어셈블로이드 활용 퇴행성 신경질환 연구 적용

퇴행성 신경질환 발병의 주요 원인은 병증 단백질 형성에 의한 신경세포 소실과 관련이 있으며, 이는 단백병증(proteinopathy)으로 알려져 있다. 단백병증은 특정 단백질이 정상적인 구조를 유지하지 못하고 응집하여 세포내 및 세포간 이동에 의한 병리학적 축적을 초래하는 현상이다. 알츠하이머병에서 아밀로이드-베타(Aβ)와 타우(Tau) 단백질, 파킨슨병에서 알파-시누클레인(alpha-synuclein), 헌팅턴병에서 변이된 헌팅틴(huntingtin, mHTT) 단백질, ALS에서는 TDP-43 (TAR DNA-binding protein 43) 및 SOD1 (superoxide dismutase 1) 단백질이 이러한 단백질 응집과 밀접한 관련이 있다. 단백질 응집 및 축적은 신경세포의 기능을 저하시킬 뿐만 아니라, 신경 독성을 유발하여 신경세포 사멸을 촉진한다. 단백질 응집체는 세포 내 스트레스를 증가시키고, 미토콘드리아 기능 이상, 세포 내 칼슘 항상성 붕괴, 단백질 분해 시스템(유비퀴틴-프로테아좀 시스템 및 오토파지)의 손상을 초래할 수 있다 (9). 

유전자 발현 섭동 및 외래물질 처리에 용이한 in vitro 인간 조직 모델인 신경 오가노이드 및 어셈블로이드는 이러한 단백질 응집의 기전을 연구하는데 유용한 모델이 될 수 있다. 또한 장기간 배양을 통해 신경세포뿐만 아니라 교세포(성상세포, 미세아교세포)와의 상호작용을 포함하여 보다 실제적인 병리학적 조건을 재현할 수 있으며 단백질 응집과 관련된 신경독성을 모사함으로써 세포간 병태생리적 변화를 재연할 수 있는 장점이 있다 (10). 

최근 연구에서는 신경 오가노이드 기반 모델을 활용하여 단백질 응집의 초기 형성과 확산 기전을 분석하는 시도가 이뤄지고 있다. 예를 들어, 퇴행성 신경질환과 연관된 특정 유전자 돌연변이를 가진 환자 유래 iPSC에서 생성된 신경 오가노이드를 이용하면, 병적 단백질의 응집이 어떻게 진행되는지를 시간 단계별로 추적할 수 있으며, 특정 단백질 분해 기전이 응집을 억제하는 데 미치는 영향도 연구할 수 있다 (11). 알츠하이머병 연구에서는 아밀로이드-베타의 침착과 타우 단백질의 과인산화 같은 주요 병리적 특징을 재현한 오가노이드 모델이 개발되었으며, 가족성 알츠하이머병과 관련된 돌연변이를 도입한 모델을 통해 질병 진행을 분석하고 신약 후보 물질을 선별하는 약효평가 시스템 구축 연구가 보고되었다 (12, 13). 또한, 혈관을 포함한 대뇌-혈관 어셈블로이드(Fused cortical-blood vessel organoid) 모델을 활용하여, SARS-CoV-2 감염된 신경 오가노이드에서 비정상적인 타우 단백질의 발현, 신경염증 및 알츠하이머 병리에 미치는 영향을 연구하고 있다 (14). 중뇌 오가노이드 연구는 2016년도에 인간 중뇌의 특징을 지닌 중뇌 오가노이드 제작 방법이 처음 보고된 이후 (15), 파킨슨병 모델 개발로 확장되고 있다. 예를들어, GBA1 유전자 결손(Knock-out)과 알파-시누클레인 과발현 인간배아줄기세포에서 유래한 중뇌 오가노이드 모델이 개발되었으며, 이를 통해 알파-시누클레인 응집체 및 루이소체가 관찰되는 파킨슨병 환자의 병리적 특징을 구현한 모델 제작에 대한 후속 연구가 보고되었다 (16). 최근에는 단일 오가노이드 모델을 넘어, 중뇌-선조체-피질 어셈블로이드(MISCO)를 이용하여 도파민 신경망의 형성과 기능을 분석하고, 도파민 신경세포의 퇴행 및 약물 반응성을 평가하는 연구가 진행되고 있다 (17). 헌팅턴병 연구에서는 선조체-중뇌 어셈블로이드를 활용하여 선조체에서 돌연변이 헌팅틴의 응집 현상을 관찰하고, 이로 인해 중간 가시 뉴런(MSN)의 투사 이상이 발생하는 것을 확인하였다. 이를 기반으로 신경세포의 구조적 결함을 보완할 수 있는 모델 시스템을 구축하였으며, 해당 모델 시스템을 이용하여 신경영양인자(BDNF)를 이용한 치료법의 효과를 검증하는 연구가 보고되었다 (18). 한편, ALS 및 전측두엽 치매(FTD) 연구에서는 C9ORF72 돌연변이를 가진 환자 유래 iPSC로부터 제작된 오가노이드와 슬라이스 배양 기법을 이용하여 초기 아교세포 반응 및 신경세포 사멸 기전을 분석하고 있다. 특히, 단백질 응집, DNA 손상 등 신경퇴행의 초기 병리적 변화를 관찰할 수 있어 신약 개발을 위한 플랫폼으로 활용될 가능성이 크다 (19).

이처럼 신경 오가노이드 및 어셈블로이드 기술은 향후 단백질 응집이 특정 신경망을 따라 어떻게 확산되는지 기전연구가 가능하며, 단백질 응집 전파를 차단함으로써 퇴행성 신경질환의 새로운 치료법을 개발하는 데 중요한 기초 자료를 제공할 것으로 기대된다. 신경 오가노이드 및 어셈블로이드 기반 질환 모델을 최적화하고, 이를 활용한 병증 단백질을 표적하는 신약 스크리닝 및 유전자 치료법 개발이 더욱 확대된다면, 단백병증 기반 퇴행성 신경질환의 병리 기전을 보다 정밀하게 규명하고 혁신적인 치료 전략을 개발할 수 있을 것이다.

그림 2. 퇴행성 신경질환 유발 단백병증

2-3. 신경 오가노이드 및 어셈블로이드 기반 약물 개발

신경 오가노이드 및 어셈블로이드 기술은 퇴행성 신경질환의 병태생리적 특성을 모사하는 데 그치지 않고, 신약 개발을 위한 전임상 평가 플랫폼으로 적극 활용될 수 있을 것으로 전망된다. 기존 동물 모델에서 도출된 약물 후보물질의 상당수가 임상시험 단계에서 실패하는 주요 원인 중 하나는, 인간 특이적 신경세포 및 단백질의 특성을 제대로 반영하지 못하기 때문이다. 이에 따라, 인간 유래 iPSC 기반 신경 오가노이드 및 어셈블로이드는 인간 신경계 환경에서의 약물 반응성을 평가할 수 있는 새로운 도구로 주목받고 있다. 특히, 알파-시누클레인 또는 타우 단백질과 같은 병증 단백질의 응집과 축적을 유발하는 단백질 전이를 모사한 신경 어셈블로이드 모델을 통해, 단백질 응집 억제제, 리소좀 효소 활성제, 자가포식 촉진제, 신경 보호제 등의 약물 효과를 다각적으로 평가할 수 있다. 이러한 모델을 활용하면, 단순한 신경세포 생존율 평가를 넘어 시냅스 형성, 신경회로 연결성, 그리고 기능적 전기생리학적 특성의 회복 등의 효능 평가도 가능할 것으로 예측된다. 또한 이러한 신경 오가노이드 및 어셈블로이드 시스템을 고속 약물 스크리닝(high-throughput screening, HTS) 플랫폼으로 확장함으로써, 다수의 약물 후보에 대한 신경세포 독성, 단백질 축적 억제, 신경회로 회복 등을 자동화된 방식으로 평가할 수 있을 것이다. 이처럼, 신경 오가노이드 및 어셈블로이드 기반 연구는 퇴행성 신경질환 치료제 개발의 새로운 패러다임을 제시하고 있으며, 향후 신약 개발의 효율성을 높이고 환자 맞춤형 치료 전략을 발전시키는 데 핵심적인 역할을 할 것으로 전망된다.

3. 결론

신경 오가노이드 및 어셈블로이드는 기존의 퇴행성 신경질환 연구 및 약물 개발의 한계를 보완할 수 있는 혁신적인 기술이다. 기존의 연구 모델과 달리, 이들은 인간 신경세포 및 조직의 병태생리적 변화를 보다 정확하게 모사할 수 있으며, 환자 맞춤형 연구 및 치료제 개발을 가능하게 한다. 이를 통해, 알츠하이머병, 파킨슨병, 헌팅턴병, ALS 등의 다양한 퇴행성 신경질환에서 질병의 발병 기전과 진행 과정을 보다 정밀하게 연구할 수 있으며, 신약 개발의 효율성을 높일 수 있는 강력한 도구로 자리 잡고 있다. 그러나 아직 해결해야 할 과제들도 존재한다. 첫째, 신경 오가노이드 모델의 재현성과 표준화된 배양 방법이 필요하다. 현재 다양한 연구 그룹에서 신경 오가노이드 모델을 개발하고 있지만, 연구자마다 배양 방법과 조건이 상이하여 실험 간 변동성이 크다. 신경 오가노이드 모델이 실제로 신약 개발과 임상 연구에 활용되기 위해서는, 보다 정교한 배양 조건에 의한 표준화된 신경 오가노이드 생산이 이루어져야 하며, 이를 위한 가이드라인이 필요하다 (20). 둘째, 현재 기술로는 완전히 성숙한 뇌 조직을 재현하는 데 한계가 있다. 신경 오가노이드는 배양 기간이 길어질수록 더 정교한 신경 네트워크를 형성하지만, 여전히 인간의 성숙한 뇌 조직과는 차이가 있다. 특히, 뇌 혈관의 부재는 장기간 배양 시 조직 내부의 괴사를 유발하므로, 인공 혈관 시스템을 포함한 혈관화된 신경 오가노이드 모델을 통해 신경퇴행성 질환의 진행 과정을 보다 실제적으로 재현할 수 있는 방법이 요구된다. 셋째, 신경 오가노이드를 기반으로 한 in vitro 연구 결과를 in vivo 환경과 연결하는 연구가 필요하다. 현재의 오가노이드 연구는 실험실 내에서 이루어지지만, 실제 환자의 뇌에서 발생하는 병리적 과정과 직접적으로 연결하는 것은 아직 한계가 있다. 따라서, 신경 오가노이드를 동물 모델과 결합하여 생체 내에서 작용하는 방식을 연구하는 하이브리드 접근 방식이 필요하며 (21), 이를 통해 신경퇴행성 질환 치료제의 임상적용 가능성을 높일 수 있다.

이러한 한계점을 극복하고 신경 오가노이드 및 어셈블로이드 기술이 지속적으로 발전을 한다면 향후 퇴행성 신경질환의 병리 기전을 심층적으로 규명하는 수준을 넘어 효과적인 치료법 개발을 위한 강력한 도구로 자리 잡을 것으로 예상된다. 또한, 신경 오가노이드 연구에서 도출된 연구 결과들과 AI 기반 약물 설계 및 분석 기술을 결합하면, 퇴행성 신경질환의 치료제 개발을 가속화할 수 있을 것으로 기대된다. 이를 통해 신경 오가노이드 모델 기반 환자의 병리적 특징을 반영한 맞춤형 치료 전략을 수립할 수 있으며 정밀의료 치료제 개발의 가능성을 높일 수 있을 것으로 전망된다.

4. 참고문헌

1. D'Antoni C, Mautone L, Sanchini C et al (2023) Unlocking Neural Function with 3D In Vitro Models: A Technical Review of Self-Assembled, Guided, and Bioprinted Brain Organoids and Their Applications in the Study of Neurodevelopmental and Neurodegenerative Disorders. Int J Mol Sci 24

2. Marton RM and Pasca SP (2020) Organoid and Assembloid Technologies for Investigating Cellular Crosstalk in Human Brain Development and Disease. Trends Cell Biol 30, 133-143

3. Sloan SA, Andersen J, Pasca AM, Birey F and Pasca SP (2018) Generation and assembly of human brain region-specific three-dimensional cultures. Nat Protoc 13, 2062-2085

4. Pasca SP (2019) Assembling human brain organoids. Science 363, 126-127

5. Cakir B, Xiang Y, Tanaka Y et al (2019) Engineering of human brain organoids with a functional vascular-like system. Nat Methods 16, 1169-1175

6. Sabate-Soler S, Nickels SL, Saraiva C et al (2022) Microglia integration into human midbrain organoids leads to increased neuronal maturation and functionality. Glia 70, 1267-1288

7. Gordon PM, Hamid F, Makeyev EV and Houart C (2021) A conserved role for the ALS-linked splicing factor SFPQ in repression of pathogenic cryptic last exons. Nat Commun 12, 1918

8. Miura Y, Li MY, Revah O, Yoon SJ, Narazaki G and Pasca SP (2022) Engineering brain assembloids to interrogate human neural circuits. Nat Protoc 17, 15-35

9. Grune T, Jung T, Merker K and Davies KJ (2004) Decreased proteolysis caused by protein aggregates, inclusion bodies, plaques, lipofuscin, ceroid, and 'aggresomes' during oxidative stress, aging, and disease. Int J Biochem Cell Biol 36, 2519-2530

10. Qian X, Song H and Ming GL (2019) Brain organoids: advances, applications and challenges. Development 146

11. Koh YH, Tan LY and Ng SY (2018) Patient-Derived Induced Pluripotent Stem Cells and Organoids for Modeling Alpha Synuclein Propagation in Parkinson's Disease. Front Cell Neurosci 12, 413

12. Park JC, Jang SY, Lee D et al (2021) A logical network-based drug-screening platform for Alzheimer's disease representing pathological features of human brain organoids. Nat Commun 12, 280

13. Choe MS, Yeo HC, Kim JS et al (2024) Simple modeling of familial Alzheimer's disease using human pluripotent stem cell-derived cerebral organoid technology. Stem Cell Res Ther 15, 118

14. Kong D, Park KH, Kim DH et al (2023) Cortical-blood vessel assembloids exhibit Alzheimer's disease phenotypes by activating glia after SARS-CoV-2 infection. Cell Death Discov 9, 32

15. Jo J, Xiao Y, Sun AX et al (2016) Midbrain-like Organoids from Human Pluripotent Stem Cells Contain Functional Dopaminergic and Neuromelanin-Producing Neurons. Cell Stem Cell 19, 248-257

16. Jo J, Yang L, Tran HD et al (2021) Lewy Body-like Inclusions in Human Midbrain Organoids Carrying Glucocerebrosidase and alpha-Synuclein Mutations. Ann Neurol 90, 490-505

17. Reumann D, Krauditsch C, Novatchkova M et al (2023) In vitro modeling of the human dopaminergic system using spatially arranged ventral midbrain-striatum-cortex assembloids. Nat Methods 20, 2034-2047

18. Wu S, Hong Y, Chu C et al (2024) Construction of human 3D striato-nigral assembloids to recapitulate medium spiny neuronal projection defects in Huntington's disease. Proc Natl Acad Sci U S A 121, e2316176121

19. Szebenyi K, Wenger LMD, Sun Y et al (2021) Human ALS/FTD brain organoid slice cultures display distinct early astrocyte and targetable neuronal pathology. Nat Neurosci 24, 1542-1554

20. Kelava I and Lancaster MA (2016) Dishing out mini-brains: Current progress and future prospects in brain organoid research. Dev Biol 420, 199-209

21. Mansour AA, Goncalves JT, Bloyd CW et al (2018) An in vivo model of functional and vascularized human brain organoids. Nat Biotechnol 36, 432-441