뇌질환 약물치료 테스트할 수 있는 혈액-뇌 장벽 모델 개발
UNIST-POSTECH 공동연구팀, 뇌질환 약물치료 테스트할 수 있는 혈액-뇌 장벽 모델 성공적 개발
플라스틱 소재 모델 대신 생체친환경적인 소재로 대체, 유사함 2배 증가
나노섬유 멤브레인으로 생체기저막 환경 유사 가능
중추신경계 질환 (자폐증, ADHD) 연구에도 활용될 비전
[위즈덤 아고라 / 제갈혜진 기자] 최근에 울산과학기술원 (UNIST) 바이오메디컬공학과 박태은 연구팀과 포항공과대 (POSTECH) 기계공학과의 김동성 연구팀은 공동연구를 통해, 뇌 질환 치료 도움이 될 나노섬유 멤브레인을 활용한 기능성 혈액-뇌 장벽 모델을 개발했다.
2020년 기준 우리나라 사망 원인 4위는 뇌졸중, 뇌출혈, 뇌동맥류, 등 각 종류의 뇌혈관 질환이다. 또한, 고령화가 급격히 진행되면서 관련 질환으로 고생하는 환자들이 늘고 있다. 특히 뇌질환의 대부분 원인은 후천적이기 때문에 사람들의 식습관 또는 자기 몸 관리를 어떻게 하느냐에 따라 발병이 가능하기 때문에 누구나 주의해야 하고, 예방할 수 있도록 건강한 몸 상태를 유지해야 하는 것이 중요하다.
뇌졸중은 뇌로 연결되는 동맥이 차단되거나 파열되면서 혈액 공급이 뇌까지 완벽하게 전달되지 않아서 뇌기능의 부분적 또는 전체적으로 급속히 발생한 장애가 상당 기간 이상 지속되는 것을 말한다. 즉각적인 증상으로는 복시, 두통과 구토로 나타날 수 있지만 뇌졸중의 시간이 늘어날수록 의식장애, 반신 운동마비, 언어 장애 같은 심각한 증상이 나타날 수 있다. 더군다나 뇌질환 치료제가 많지 않아 예방을 위해 콜레스테롤 관리, 혈압조절, 활동적인 생활 등으로 몸을 관리한다.
뇌질환으로 인해 사망자수가 많은데도, 적절하고 안전한 뇌 질환 치료제가 부족한 이유는 혈액-뇌 장벽을 정확하게 모사할 수 있는 모델이 개발이 안 되었기 때문이다. 생체에 복잡하고 정교한 기저막을 모사하는 데에 주로 PETE, PC, PDMS 같은 플라스틱으로 만든 소재를 이용해 다공성 막을 표현하는 데에 이용했지만 이는 생체와 같은 환경을 모사하는 데에 한계가 있었다. 또한, 혈액-뇌 장벽(blood-brain barrier; BBB)을 신체 밖 모델로 구성하기가 어려웠기 때문에, 실제 호르몬 분비 또는 약물 흡수력을 정확하게 테스트를 하는 데에도 어려움이 있었다.
최근 UNIST-POSTECH 공동연구팀은 나노섬유 멤브레인(nanofiber-assisted ultra-thin ECM hydrogel-based engineered basement membrane; nEBM)을 개발했다. 이 모델은 생체 친환경적인 소재의 실크피브로인(Silk fibroin)과 폴리카프로락톤(Polycaprolactone;PCL)으로 만들어진 나노섬유 지지체와 콜라겐 등의 기저막 유래 하이드로젤로 구성되어 생체 혈액-뇌 장벽과 최대한 유사하게 만드는 데 성공했다.
체내 기적막에서 보유하는 온도, 나노섬유 구조, 강성 (~500 kPa)으로 구성되어 있어 자연스러운 단백질 조성도 가능해졌다. 또한, 혈액-뇌 장벽은 뇌 기능에 필수적인 물질만 출입을 허용하고 외부물질의 침투를 막는 중요한 역할을 하는 생체 장벽인데, 그 주위에는 기저막 (basement membrane), 별아교세포(astrocyte) 그리고 혈관주위세포(pericyte)로 이루어져 있다. 따라서 뇌질환 치료제 약물을 몸에 투입했을 때에 약이 몸에서 뇌까지 얼마큼 이동될 수 있는지 가능해졌다.
새로운 혈액-뇌 장벽 모델은 약 두 배 이상 높은 물리적 장벽을 지속적으로 유지할 수 있었고, MRP나 BCRP 같은 약물배출펌프 단백질이 방출되는 것을 vinculin이라는 단백질과 세포의 골격 단백질 f-actin의 위치 분석을 통해 검증했다. 이 뜻은 인체에서 일어나는 환경을 사람 몸 밖에서도 유사하게 확인이 될 수 있어, 모델을 활용해 혈액-뇌 장벽이 무너지고 면역세포의 투과가 일어나는 뇌졸중의 병리적 변화를 정교하게 재현하고, 이를 다시 치료제를 투여하여 병변을 개선하는 데 성공했다는 뜻이다.
UNIST-POSTECH 연구팀은 “이 모델은 뇌질환 관련 약물 개발 또는 평가에 활용할 뿐만 아니라 중추신경계 질환 (자폐증, ADHD, 뇌전증, 발작)의 메커니즘 연구에 활용될 것으로 기대한다”라고 설명했다.
