듀크 대학의 생의공학 엔지니어들이 허혈성 뇌졸중 후 뇌가 회복되도록 도울 수 있는 주사 가능한 생체재료를 개발했다. 쥐 실험에서 이 젤리는 죽은 뇌 조직이 남긴 구멍을 아늑한 치유 허브로 변모시켜, 신체의 면역 세포를 모집하고, 새로운 혈관을 만들고, 신경 조직을 조정하고, 설치류의 운동 기능을 향상시켰다. 이 연구 결과는 'Cell Biomaterials' 저널에 게재되었다.

뇌졸중에 대해 설명하자면, 매년 수백만 명이 허혈성 뇌졸중을 겪는데, 이는 혈전이 뇌의 일부로 가는 혈류를 차단할 때 발생한다. 혈전 용해제나 물리적 제거와 같은 응급 치료는 아직 살아있는 조직을 구할 수 있지만, 일단 뇌 조직이 죽으면 그것은 사라진다. 심각한 뇌졸중은 뇌가 있던 자리에 커다란 구멍을 남길 수 있으며, 재활은 생존한 회로가 적응하도록 도울 뿐 잃어버린 영역을 재건하지는 못한다.

"뇌 조직이 손실되면 혈류를 회복시키는 것만으로는 충분하지 않습니다,"라고 듀크 대학의 생의공학 석좌 교수인 타티아나 세구라가 말했다. "우리의 목표는 면역, 혈관, 신경 재생 과정이 함께 작동할 수 있도록 손상된 공간을 설계하는 것입니다."

연구팀은 뇌졸중 구멍 내부에 여러 유형의 복구를 동시에 지원하는 환경을 만들었다. 그들은 MAPS(미세 다공성 어닐링 입자 스캐폴드)를 사용했는데, 이는 다공성 구조로 조립되는 하이드로겔 미세 입자로, 세포가 신경 조직을 재건할 수 있는 프레임워크를 제공한다. 그러나 그들은 거기서 멈추지 않았다. 그들은 또한 면역 체계를 활용하고자 했으며, 뇌 손상에 빠르게 반응하는 별 모양의 세포인 성상교세포에 초점을 맞췄다. 성상교세포는 세포외 소포(EV)를 방출하는데, 이는 다른 세포에 영향을 미치는 단백질, 지질, 유전 물질의 작은 패키지이다.

연구진은 단순히 손상된 부위에 EV를 주입하는 대신, 화학적으로 이를 하이드로겔 미세 입자에 부착시켰다. 이는 신호가 스캐폴드 내에 집중되도록 하여, 들어오는 세포가 그 신호와 만날 가능성을 높였다. "우리는 단순히 뇌에 물질을 넣는 것이 아닙니다,"라고 세구라는 말했다. "우리는 복구 반응의 여러 부분을 조정할 수 있는 국소 환경을 설계하는 것입니다."

특히 한 신호 조합이 눈에 띄었다: IL-4와 C1q는 대식세포와 놀랍게도 지속적인 호중구 집단과 같은 유용한 면역 세포를 끌어들였다. 호중구는 일반적으로 초기 뇌졸중 염증에서 나쁜 역할을 하지만, 결과는 그 역할이 더 미묘하다는 것을 시사한다. 나중에, 올바른 신호가 주어지면, 그들은 실제로 복구를 지원할 수 있다. 연구진이 이 호중구를 제거했을 때, 혈관 형성이 급감하고 스캐폴드가 덜 재형성되었다 - 이는 이 세포들이 중요하다는 증거이다.

"이 결과는 뇌졸중 후 호중구에 대한 우리의 생각을 바꿉니다,"라고 세구라 연구실의 선임 과학자이자 박사후 연구원인 신징신이 말했다. "그들의 역할은 그들이 언제 도착하는지, 어디에 위치하는지, 그리고 주변 환경에서 받는 신호에 따라 달라지는 것으로 보입니다. 우리의 연구는 적절한 시기에 이 세포들을 모집하고 유지할 수 있는 공학적 전략을 보여줍니다."

면역 세포가 이동함에 따라, 구멍 전체에 새로운 혈관이 형성되었고, 축삭 섬유(뇌의 통신 케이블)가 손상된 부위 내부와 주변에서 증가했다. 쥐들은 또한 그리드 걷기 테스트(앞다리 실수 측정)에서 더 나은 성과를 보였으며, 8주 후에는 통계적으로 건강한 대조군과 구별할 수 없었다. 이 개선은 연구 기간 동안 지속되었다.

연구팀은 또한 스캐폴드 없이 EV를 시도했지만, 유사한 혈관 복구를 생성하지 못했다. 따라서 생체재료는 단순한 전달체가 아니라, 다공성 구조와 신호를 집중시키는 능력이 중요하다.

물론, 이것은 모두 전임상 단계이다. 이 치료법은 쥐에서만 뇌에 직접 주입하여 테스트되었다. 안전성을 평가하고, 면역 세포의 역할을 이해하고, 인간 뇌졸중에 더 가까운 대형 모델에서 효과가 있는지 확인하기 위한 추가 연구가 필요하다. 또한, 현재 EV는 쥐 성상교세포에서 유래한다; 마지막 부분은 잘렸다.