망막 오르가노이드의 시냅스 재형성 능력
현대 생물학의 발전으로 인간의 주요 장기를 대체할 수 있는 오르가노이드(organoid)에 대한 연구가 뜨겁게 진행 중입니다. 그 중에서도 망막을 대체할 수 있는 망막 줄기세포들에 대한 연구가 이제 무르익어 가는 느낌이죠. 지난 수십년동안 오르가노이드에 대해 수 많은 연구가 이루어졌지만 아직 이를 실제로 치료의학에 사용하는 경우는 미미합니다. 척수손상이나 돌이킬 수 없는 신경 손상에 대한 줄기세포 치료도 아직 실용화되고 있지는 않는 것으로 알고 있습니다. 하지만 이미 수 많은 동물실험과 임상실험들에 대한 보고가 축적되어 있습니다. 언젠가는 mRNA백신 연구가 마무리된 상태에서도 사용되지 못하다가 Covid-19의 대유행 때 인류를 구했던 것 처럼, 어느날 갑자기 불치병에 대한 장기대체술이 일반화되는 날이 올지도 모를 일이죠.
아래의 글은 줄기세포에서 얻어진 망막 오르가노이드를 생체에 이식하기 위해선 다시 세포들의 연결을 끊어야 하는데 이런 경우에 다시 기능을 할 수 있는 시냅스를 형성한다는 것을 밝힌 논문을 소개하는 글입니다. 이런 오르가노이드 연구를 진행하고 있는 수 많은 연구자들은 이제 임상실험에 들어갈 때라고 말하고 있다는 것을 느낄 수 있을 것입니다.
* 그림출처: Ludwig AL, et al. 2023
망막세포의 시냅스 재연결 능력이 알려졌다: 시력회복 분야의 진전
On-again, Off-again connections advance Eye regeneration
일군의 연구자들이 배양접시 속에서 망막세포간에 신경연결을 추적하는데 성공했다.
인간의 몸은 외부에서 온 감각을 해석하여 뇌의 언어인 전기적, 화학적 신호로 전환하는 각종 감각기관을 장착하고 있다. 인간의 감각기 중에도 눈은 빛을 시각 전기신호로 전환하는 고급 광센서(phototransducer)라고 할 수 있다. 망막 속에 특수화된 광수용 세포가 빛을 감지하여 여러 단계를 거쳐 뇌로 정보를 전해준다. 이때 신경들 사이의 시냅스(신호전달 부위로 작용하는 신경세포들 사이에 존재하는 틈새)를 통해 정보전달이 이루어진다.
연구자들은 눈의 발생과 정상 시각, 그리고 시각 관련 퇴행성 질환을 연구하기 위해 인간 만능줄기세포(human pluripotenet stem cell)를 이용한 망막.-망막의 3D 모델-을 만들었다. 이들은 이 오르가노이드(organoid)를 손상되거나 질병에 걸린 눈 세포들을 대체할 수 있는 망막신경을 만드는데 사용하고자 하였다. 원래 오르가노이드 안에 세포들은 서로 연결되어 시냅스를 형성했으나 과학자들은 망막신경을 만들기 위해서는 이들을 다시 해체해야만 했다. 이런 어쩔 수 없는 해체는 시냅스연결을 부수고 신경의 기능과 연결에 영향을 미친다.
University of Wisconsin-Madison의 연구자들은 인간 만능줄기세포에서 만들어진 망막 오르가노이드 신경이 이런 오르가노이드 해체 후 다시 시냅스를 형성하여 소통할 수 있는지를 조사했다. 이들은 시냅스를 통해 신경세포사이를 통과하는 것으로 알려진 불활성화된 공수병 바이러스(inactivated rabies virus)를 이용하여 망막신경을 조사했다.
이들은 해체되었던 망막 신경세포들도 표지된 바이러스가 옮겨 다니는 것으로 미루어 시냅스를 형성할 수 있다는 것을 발견하였다. “놀라운 것은 이게 효율적으로 일어난다는 사실 이였어요.” 이 연구를 주도한 소아 안과의사인 Daivid Gamm의 말이다. “이런 능력을 가진 세포 중 대부분이 광수용기 세포(막대세포, 원추세포)들이었어요. 원래 제 생각은 광수용기세포는 있다해도 드물거라고 생각했는데, 이와는 반대로 다수를 차지했던 거죠.”
“이런 접근법은 확실하면서도 재현 가능합니다.” 이 연구에 참여하지 않았던 University of California, Irvine의 발생 세포학 교수인 Maksin Plikus의 말이다. 그의 설명에 따르면 망막 손상을 치료하는 방법으로 시각을 회복하고 질병이 진행을 막을 수 있는 망막세포를 이식한다는 것이다. “새로운 광수용기 세포를 포함한 망막세포를 공급하는건 이제 꽤 효율적이고 재현가능해진 반면 이렇게 이식된 망막세포들이 기존의 망막세포들과 얼마나 잘 시냅스를 형성 할지는 아직 모릅니다.”라고 Plikus는 말했다.
Gamm은 이 질문에 답하기 위해 향후 환자들을 대상으로한 연구를 계획하고 있다. 배양세포실험이나 동물 실험은 필수적이지만 한계가 있다. “단지 그래프 그리는 일 밖에는 할 수 없죠. 어느 시점에서는 인간을 대상으로한 실험을 해야만 합니다. 우리는 임상실험을 통해 무슨 일이 일어나는지, 배우고 개선해 나가는 철두철미한 연구가 이루어지기 전에는 아무것도 알 수 없다는 것을 알게 되었죠,” Gamm의 말이다.
Gamm에겐 십 여년에 걸친 망막 오르가노이드에 관한 연구 결과들이 축적되어 있다. 이들 대부분은 기초 발생 생물학의 범주에 머물러 있다. “망막 오르가노이드는 우리에게 인간의 망막 발생이 어떻게 이루어지는지 알려주었죠. 이는 결국 어떻게 고칠 수 있을지를 알려주는 겁니다.” Gamm의 말이다. 이런 잠재적 치료법은 어떻게 광자에 의해 전달된 한줌의 광에너지가 망막에 흡수되어 우리가 시각으로 느낄 수 있는 전기신호로 전환되는지를 잘 고려해야 한다. 인간이 세상의 감각 신호에 숨겨진 암호를 어떻게 경험하는지를 반영함으로써 망막 줄기세포 치료는 이상에서 현실로 진전하게 될 것이다.
<본 글은 아래의 기사를 번역한 것입니다.>
Iris Kulbastski, PhD, On-again, Off-again connection advance eye regeneration. The Scientist Jul. 10, 2023.
원글 References
1. Ludwig AL, et al. Re-formation of synaptic connectivity in dissociated human stem cellderived retinal organoid cultures. PNAS. 2023;120(2):e2213418120.
2. Beier KT. The serendipity of viral trans-neuronal specificity: more than meets the eye. Front Cell Neurosci. 2021;15:720807.