케임브리지 대학의 과학자들이 인간의 신경계를 통해 운동 신호가 전달되는 방식을 모방한 작은 실험실 배양 뇌와 척수 시스템을 만들었습니다. 이 모델을 사용하여 연구팀은 한때 영구적이라고 여겨졌던 신경 손상이 특정 조건에서 실제로 되돌릴 수 있음을 발견했습니다.
인간의 몸이 배아에서 태아, 그리고 유아로 발달함에 따라 뉴런은 뇌와 척수 사이에 복잡한 통신 네트워크를 형성합니다. 이러한 신호는 뉴런이 메시지를 보내고 근육 움직임을 제어할 수 있게 해주는 긴 신경 섬유인 축삭을 통해 이동합니다. 그러나 시간이 지남에 따라 중추 신경계는 손상된 축삭을 재생하는 능력을 대부분 상실합니다. 결과적으로 뇌나 척수 손상은 종종 영구적이 되어 마비나 운동 상실과 같은 심각한 장애를 초래합니다. 이러한 재생 능력의 상실은 운동 신경 질환 및 다발성 경화증을 포함한 신경계 질환과도 관련이 있습니다.
2021년, 케임브리지 대학의 András Lakatos 박사와 그의 동료들은 환자로부터 채취한 줄기 세포를 사용하여 미니어처 인간 뇌 모델을 개발했습니다. 이 완두콩 크기의 "뇌 오가노이드"는 대뇌 피질의 일부를 닮았으며, 연구자들이 운동 신경 질환과 관련된 분자 변화를 연구하고 이를 예방하는 방법을 탐구할 수 있게 했습니다. 이제 Cell Reports에 발표된 새로운 연구에서 연구자들은 연결된 인간 뇌와 척수 시스템의 미니어처 버전을 구축하여 이 작업을 확장했습니다. 뇌와 척수는 몸에서 분리되어 있지만 연결된 구조이기 때문에 연구팀은 실험실에서 오가노이드를 물리적으로 분리했습니다. 그런 다음 뇌 조직의 축삭이 간격을 가로질러 성장하여 척수 조직과 연결되는 것을 관찰했습니다. 결과적으로 생성된 신경 회로는 작은 근육 세포 덩어리의 수축을 유발할 만큼 기능적이었습니다.
과학자들은 이 미니어처 시스템을 실험실에서 1년 이상 유지했습니다. 그들은 발달 약 150일(대략 임신 중기에 해당)까지는 손상된 축삭이 여전히 재생될 수 있음을 발견했습니다. 그 시점 이후에는 뉴런의 재생 능력이 크게 감소했습니다. 연구의 첫 번째 저자인 케임브리지 대학 임상 신경 과학과의 George Gibbons는 "덜 성숙한 오가노이드에서 채취한 뉴런은 손상 후 긴 섬유를 재생했지만, 더 성숙한 오가노이드의 뉴런은 재생 능력이 급격히 감소했습니다. 즉, 중추 신경계에서 뉴런이 성숙함에 따라 재생 불량이 내재되어 있습니다."라고 말했습니다.
연구팀은 뇌와 척수를 연결하는 뉴런의 유전자 활동을 분석했습니다. 그들의 연구는 뉴런이 성숙하고 시냅스를 형성함에 따라 축삭 성장을 제한하는 생물학적 스위치 역할을 하는 유전자 네트워크를 밝혀냈습니다. 놀랍게도, 연구자들이 이 네트워크 내의 주요 조절자를 차단했을 때 뉴런은 다시 축삭을 성장시키는 능력을 되찾았습니다. 연구자들은 또한 새로 확인된 유전자 네트워크에 영향을 미치는 약물을 식별하기 위해 약물 화합물 데이터베이스를 검색했습니다. 유망한 후보 중 하나는 특정 월경 장애 및 피임 용도로 현재 승인된 호르몬 약물인 lynestrenol이었습니다. 이 약물이 손상된 뉴런에 테스트되었을 때 축삭 재생을 크게 개선했습니다.
과학자들은 흉터 조직과 염증도 손상 후 신경 복구를 방해할 수 있다고 언급했습니다. 그러나 재생을 제한하는 뉴런 특이적 생물학적 메커니즘을 이해하는 것은 여전히 매우 중요합니다. 이전 증거에 따르면 어린 뉴런은 손상 부위에서 일반적으로 복구를 차단하는 환경을 통과하여 성장할 수 있습니다. 연구를 주도한 수석 저자이자 임상 신경 과학과의 András Lakatos 박사는 "뇌와 척수가 손상되면 뇌에서 척수로 운동 신호를 전달하는 신경 섬유는 거의 재생되지 않습니다. 그래서 마비는 일반적으로 영구적입니다. 그러나 우리는 축삭의 재생 능력이 언제 제한되는지 정확히 알지 못했습니다. 우리의 모델은 좋은 통찰력을 제공합니다."라고 말했습니다.