[쿠키과학] '초·분 단위로 뇌 독성 감지'… KIT, 뇌질환 치료제 효능 초고속 판독

뇌 속 성상세포의 미세한 신호 변화를 감지해 신경염증과 독성, 치료제 효능을 실시간으로 판별하는 혁신 기술이 나왔다.

국가독성과학연구소(KIT) 글로벌의약바이오연구단 이유빈 박사팀은 뇌 속 별 모양 세포인 성상세포의 염증 반응을 실제 뇌 환경과 유사한 3차원(3D) 조건에서 초고속으로 측정하는 평가 플랫폼 'ARC-3D'를 개발했다.

ARC-3D는 뇌 환경을 모사한 3D 하이드로겔 안에 성상세포를 배양한 뒤, 세포 내 칼슘이온(Ca²⁺) 신호 변화를 실시간 측정해 염증반응,  독성, 약물효과를 동시에 판독할 수 있다.

성상세포는 뇌에서 염증 반응을 조절하고 신경세포를 보호하며 환경 항상성을 유지하는 핵심 세포다. 

그동안은 2차원 세포배양 방식과 분자 분석을 이용해 염증을 평가했으나, 실제 생체 환경을 반영하지 못해 세포 신호가 왜곡되거나 결과를 확인하기까지 시간이 오래 걸린다는 단점이 있었다. 

특히 초·분 단위로 나타나는 초기 기능 변화를 놓치기 쉬웠다.

연구팀은 이런 한계를 극복하기 위해 젤라틴 기반 바이오소재 'GelMA'를 활용해 3D 하이드로겔을 제작했다. 

성상세포가 실제 뇌 속에서처럼 원활하게 기능할 수 있도록 하이드로겔 농도를 3.5%로 설정해 최적 배양 조건을 확립했다. 

이 플랫폼은 배양액을 지속적으로 흘려보내는 관류 시스템에서도 구조적 안정성을 유지하며 실시간으로 세포 상태를 관찰할 수 있다.

연구팀이 개발한 플랫폼에 과산화수소를 처리해 산화 스트레스를 유발하자, 성상세포 내부의 칼슘이온 신호가 즉각적으로 변하는 것을 확인했다. 

산화 스트레스는 세포에 손상을 줘 염증을 촉진하는 요인이다.

'ARC-3D' 플랫폼은 칼슘이온 채널의 변화를 통해 신경손상 지표와 염증성 사이토카인(IL-6, IL-1β)의 증가를 초·분 단위로 정밀하게 포착했다.

또 연구팀은 기초과학연구원(IBS)과 함께 확보한 후보물질 'KDS12025'의 치료효과도 검증했다. 

해당 약물을 처리하자 칼슘신호 이상과 염증반응이 완화되는 회복 패턴이 나타났다. 

연구팀은 생쥐 뇌를 이용한 동물실험에서 동일한 효과를 확인하며 플랫폼의 실무 적용 가능성을 입증했다.

이 박사는 "ARC-3D는 신경독성 평가뿐 아니라 뇌 질환 치료제 후보물질의 효능과 안전성을 신속하게 판별하는 기반 기술로 활용할 수 있다"며 "앞으로 나트륨, 칼륨, 염화물 등 주요 이온으로 지표를 확장해 인체의 물질 수송과 독성 반응을 더 정밀하게 평가하겠다"고 설명했다.

한편, 이번 연구는 KIT 김주강·김예지·류세영·박대의·이유빈 박사와 IBS 우동호 박사가 참여했고, 연구결과는 지난 8일 국제학술지 ‘Advanced Healthcare Materials’에 게재됐다.
(논문명: A 3D Astrocyte Microenvironment Model Enables Rapid Ca²⁺-Resolved Analysis and Therapeutic Modulation of Oxidative Neuroinflammation)