[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

혈액-뇌 장벽 (blood-brain barrier)은 뇌 기능에 필수적인 물질만의 출입을 허용하여 외부물질의 침입으로부터 뇌를 보호하는 역할을 하는 중요한 생체 장벽이다. 이는 혈관내피세포와 그를 둘러싸 지탱하는 기저막(basement membrane), 별아교세포(astrocyte) 그리고 혈관주위세포(pericyte)로 이루어져있다.

이들은 서로 상호작용하며 혈액-뇌 장벽 물리적, 대사적 기능을 조절한다. 혈관내피세포의 밀착연접은 외부물질의 침입을 막고, 혈관내피세포에 발현된 efflux pump 단백질은 뇌로 투과된 물질을 다시 펌핑하여 혈류로 보냄으로써 뇌를 보호하는 기능을 한다. 하지만 이 혈액-뇌 장벽의 보호 기능은 뇌 질환 치료제가 뇌로 전달되는 것을 막아 수 많은 뇌 질환 치료제들이 기대되는 치료 효과에도 불구하고 혈액-뇌 장벽을 통과하지 못해 개발에 난항을 겪고 있다.

따라서 치료 물질이 혈액-뇌 장벽을 통과할 수 있는지를 확인하고 혈액-뇌 장벽을 통과할 수 있는 기전을 개발하는 것이 뇌 질환 치료제 개발에 있어 매우 중요한 이슈다. 치료 물질의 투과 능력을 시험해보기 위해 체외 세포배양 시스템을 기반으로 개발된 혈액-뇌 장벽 모델이 활용되고 있으나, 이들은 PETE, PC, PDMS와 같은 플라스틱 소재의 다공성 멤브레인으로 기저막으로 모사하여 사용하고 있다. 생체 내 기저막과는 현저히 다른 물리적, 생화학적 특징을 가지는 다공성 멤브레인은 인공적인 배양 환경을 세포에 제공함으로써 실제 뇌 환경을 제대로 모사하지 못한다는 한계를 가진다. 치료 물질이 실제 우리 몸에서 뇌로 전달될 수 있을지를 정확하게 평가하기 위해서는 생체의 혈액-뇌 장벽과 유사한 구조 및 상응하는 수준의 기능을 발현하는 혈액-뇌 장벽 모델의 개발이 필요하다.

2. 연구내용

UNIST-POSTECH 공동연구팀은 혈액-뇌 장벽의 장벽 기능에 큰 영향을 준다고 알려진 핵심 구성인 생체 내 기저막(Basement membrane)을 모사한 나노섬유 기반의 인공기저막(Nanofiber-assisted engineered basement membrane; nEBM)을 개발했다. 개발된 인공기저막은 생체친화적인 소재인 실크피브로인(Silk fibroin)과 폴리카프로락톤(Polycaprolactone;PCL)으로 만들어진 나노섬유 지지체와 콜라겐 등의 기저막 유래 하이드로젤로 구성되었으며, 체내 기저막과 매우 유사한 단백질 조성, 나노섬유 구조, 강성(~500 kPa)을 보유한다. 이러한 나노섬유 기반 인공기저막을 개발함으로써 생체와 유사한 환경에서의 혈액-뇌 장벽 모델 구축을 가능케 했다.

혈액-뇌 장벽 모델 구축을 위해 인간 역분화줄기세포 유래 뇌혈관 내피세포를 나노섬유 기반의 인공기저막에 성공적으로 배양하였고 별아교세포와 혈관주위세포를 공배양했다. 나노섬유 기반 인공기저막에 배양된 혈액-뇌 장벽 모델은 플라스틱 다공성막을 사용하는 상용 세포배양 플랫폼 (Corning 사의 Transwell)에 배양한 모델에 비해 약 두 배 이상 높은 물리적 장벽을 유지했으며, 상용 플랫폼에서는 활성화되지 않던 MRP 와 BCRP 와 같은 약물배출펌프 단백질 매개 대사 장벽 기능이 발현되는 것을 확인했다. 연구진은 특히 인공기저막이 가진 생체 수준의 강성이 혈액-뇌 조직 모델이 강화된 장벽 기능을 갖도록 하는데 기여했다는 것을 기계적 강성을 감지하는 vinculin이라는 단백질과 세포의 골격 단백질 f-actin의 위치 분석을 통해 검증했다.

나아가, 연구진은 개발된 인공기저막 상 혈액-뇌 장벽 모델을 활용하여 혈액-뇌 장벽이 무너지고 면역세포의 투과가 일어나는 뇌졸중의 병리적 변화를 정교하게 재현하고, 이를 다시 치료제를 투여하여 병변을 개선하는데 성공함으로써 개발된 혈액-뇌 조직 모델이 뇌 질환 연구 및 이의 치료제 평가에 활용될 수 있음을 입증했다.

3. 기대효과

나노섬유 기저막을 이용한 혈액-뇌 장벽 모델은 체외모델의 개발에서 기저막의 역할의 중요성을 시사하며, 이러한 향상된 물리적, 대사 장벽 기능을 활용하여 정확한 뇌 투과 약물 개발에 이용될 수 있을것으로 기대된다. 여러 뇌 관련 질병의 메커니즘을 규명하는데 활용될 수 있을 것으로 기대한다.

[붙임] 용어설명

1. 혈액-뇌 장벽 (Blood-brain barrier)

혈액-뇌 장벽. 뇌 기능에 필수적인 물질만의 출입을 허용하여 외부물질의 침입으로부터 뇌를 보호하는 역할을 하는 생체 장벽

2. 기저막 (Basement membrane)

결합조직의 경계에 위치한 세포외 기질 단백질로 이루어진 얇은 막상 구조. 세포를 지지하고 세포간 소통을 매개하며 항상성을 유지하는 역할을 함.

3. BCRP (Breast cancer resistance protein), MRP (Multi-drug resistance protein)

혈액-뇌 장벽을 통과한 약물을 뇌에서 혈류로 다시 내보내는 약물 배출 단백질의 한 종류

[붙임] 그림설명

그림 1. 나노섬유 기반의 인공기저막을 활용한 기능성 혈액-뇌 장벽 모델의 구축.