뇌 오가노이드는 만능줄기세포로부터 유래한 자가조직화된 3차원(3D) 집합체로, 발달 중인 인간 뇌와 유사한 세포 유형 및 세포 구조를 지닌다. 이러한 시험관 내(in vitro) 모델의 도입으로 인해 인간 뇌 발달 과정과 신경계 장애에 대한 현재의 이해는 상당한 수준으로 진전되었다. 뇌 오가노이드는 2차원(2D) 배양과, 초기 및 후기 단계에서 신경관 형성을 모사하고 신경상피의 분화를 전뇌 수준의 부위 특이적(region-specific) 분화로 재현하는 생체 내(in vivo) 모델 사이의 번역적(translation) 연결고리 역할을 한다. 또한 부위 특이적인 뇌 오가노이드의 생성은 약물 발견 및 약물 독성 시험과 더불어, 획득성 및 유전성 뇌 질환의 병태생리적·원인론적 측면을 연구할 수 있게 해주었다. 본 검토 논문에서는 먼저 뇌 오가노이드 생성에 사용되는 기존 방법과 플랫폼 전반의 개요를 요약하고 그 한계를 논의한 뒤, 뇌 오가노이드 기술의 최근 발전을 다룬다. 아울러 뇌 오가노이드가 자폐스펙트럼장애(ASD), 렛 증후군, 지카 바이러스 관련 소두증, 알츠하이머병(AD), 파킨슨병(PD), 헌팅턴병(HD) 등을 포함한 신경발달성 및 신경퇴행성 질환의 양상을 모사하는 데 어떻게 활용되어 왔는지 논의한다.

IVD(Intervertebral Disc) 장기칩에서 퇴행성 NP(nucleus pulposus)와 함께 구현한 단구(모노사이트) 화학주성 모델은 단구의 이동/침윤, 단구-대식세포로의 분화, 그리고 축적의 연속적 과정을 보여준다. 퇴행성 IVD에서 단구의 침윤 및 분화 과정에 대한 더 깊은 이해를 얻기 위해 이 플랫폼을 활용하면, 퇴행성 IVD에서의 면역 반응 병태생리와 관련된 통찰을 제공할 수 있다.

뇌 오가노이드는 만능줄기세포로부터 유래한 자가조직화된 3차원(3D) 집합체로, 발달 중인 인간 뇌와 유사한 세포 유형 및 세포 구조를 지닌다. 이러한 시험관 내(in vitro) 모델의 도입으로 인해 인간 뇌 발달 과정과 신경계 장애에 대한 현재의 이해는 상당한 수준으로 진전되었다. 뇌 오가노이드는 2차원(2D) 배양과, 초기 및 후기 단계에서 신경관 형성을 모사하고 신경상피의 분화를 전뇌 수준의 부위 특이적(region-specific) 분화로 재현하는 생체 내(in vivo) 모델 사이의 번역적(translation) 연결고리 역할을 한다. 또한 부위 특이적인 뇌 오가노이드의 생성은 약물 발견 및 약물 독성 시험과 더불어, 획득성 및 유전성 뇌 질환의 병태생리적·원인론적 측면을 연구할 수 있게 해주었다. 본 검토 논문에서는 먼저 뇌 오가노이드 생성에 사용되는 기존 방법과 플랫폼 전반의 개요를 요약하고 그 한계를 논의한 뒤, 뇌 오가노이드 기술의 최근 발전을 다룬다. 아울러 뇌 오가노이드가 자폐스펙트럼장애(ASD), 렛 증후군, 지카 바이러스 관련 소두증, 알츠하이머병(AD), 파킨슨병(PD), 헌팅턴병(HD) 등을 포함한 신경발달성 및 신경퇴행성 질환의 양상을 모사하는 데 어떻게 활용되어 왔는지 논의한다.

IVD(Intervertebral Disc) 장기칩에서 퇴행성 NP(nucleus pulposus)와 함께 구현한 단구(모노사이트) 화학주성 모델은 단구의 이동/침윤, 단구-대식세포로의 분화, 그리고 축적의 연속적 과정을 보여준다. 퇴행성 IVD에서 단구의 침윤 및 분화 과정에 대한 더 깊은 이해를 얻기 위해 이 플랫폼을 활용하면, 퇴행성 IVD에서의 면역 반응 병태생리와 관련된 통찰을 제공할 수 있다.

우울증의 3차원(3D) 체외(in vitro) 모델은 질병 병태생리를 규명하고, 항우울제 작용 기전을 해명하며, 약물 효능을 평가하고, 새로운 치료제의 개발을 촉진하는 데 유용한 플랫폼이다. 우리의 선행 연구에서 합성 글루코코르티코이드인 덱사메타손에 노출된 3D 피질(대뇌피질) 소체(cortical spheroids)는 신경가소성의 현저한 손상을 보였으며, 이는 우울증의 핵심 병리학적 특징을 나타냈다. 본 연구는 에스시탈로프람(escitalopram) 처리 하에서 이 모델의 적용 가능성을 평가하고, 관련된 분자 기전을 해명하는 것을 목표로 하였다. 일차 랫트(rat) 피질 세포 유래 3D 소체는 덱사메타손(100 µM)에 노출된 후, 0.1, 1, 10 µM 농도의 에스시탈로프람으로 처리하였다. Western blot 분석을 통해 뇌유래신경영양인자(brain-derived neurotrophic factor, BDNF), mTORC1 관련 신호 단백질, 그리고 PSD-95 및 GluA1을 포함한 시냅스 단백질을 측정하였다. 신경돌기(neurite) 신장(outgrowth)은 면역형광으로 시각화하고 Sholl 분석으로 정량화하였다. 덱사메타손은 BDNF 발현, 신경돌기 복잡성 및 mTORC1, 4E-BP1, p70S6K의 인산화를 유의하게 감소시켰으며, 이에 더해 시냅스 단백질 수준도 감소시켰다. 에스시탈로프람은 용량 의존적으로 이러한 결손을 역전시켰고, 10 µM에서 가장 두드러진 효과가 관찰되었다. 이러한 결과는 에스시탈로프람이 덱사메타손 처리 피질 소체에서 신경가소성을 증진시키고 mTORC1 신호 전달의 활성을 증가시키는 것과 연관됨을 보여주며, 스트레스 관련 신경가소성 손상의 기전 연구를 위한 3D 체외 시스템으로서 이 모델의 타당성을 입증한다.

전장유전체 연관연구(genome-wide association studies)와 DNA 정보를 기반으로 한 차세대 염기서열분석(next generation sequencing) 데이터 분석은 자폐 스펙트럼 장애(autism spectrum disorder, ASD)와 연관된 수천 개의 변이를 확인하였다. 그러나 확인된 변이의 99% 이상은 비코딩이다. 따라서 이러한 변이 중 어떤 것이 기능적일 수 있으며 잠재적으로 인과적 변이일 수 있는지 불명확하다. 총 RNA-염기서열분석(total RNA-sequencing)을 이용한 전사체 프로파일링은 단백질 수준을 분자 수준에서 유전정보와 연결하기 위해 가장 널리 활용된 접근법 중 하나이다. 전사체는 DNA 서열만으로는 포착되지 않는 분자 유전 복잡성을 반영한다. 일부 변이는 유전자의 DNA 서열을 변화시키지만, 반드시 발현 및/또는 단백질 기능의 변화로 이어지지는 않는다. 현재까지도 높은 유전성(heritability) 추정치가 지속적으로 제시됨에도 불구하고, ASD의 진단 상태와 신뢰성 있게 연관된 흔한 변이는 소수에 불과하다. 또한 ASD 진단에 사용되는 신뢰할 수 있는 바이오마커나 ASD의 중증도를 정의하기 위한 분자 기전은 존재하지 않는다. 따라서 진짜 인과 유전자를 규명하고 ASD에 유용한 바이오마커를 제안하기 위해 DNA 검사와 RNA 검사를 함께 통합하는 것이 필요하다. 우리는 유전체 전장 연관연구(genome-wide association studies, GWAS)의 요약 통계치(summary statistics)를 이용한 적응형(adaptive) 검정을 수행하여, 두 개의 대규모 GWAS 데이터셋(ASD 2019 데이터: ASD 환자 18,382명과 대조군 27,969명[발견 데이터]; ASD 2017 데이터: ASD 환자 6,197명과 대조군 7,377명[복제 데이터])과 함께 유전자 기반 연관연구를 수행하였으며, 이 데이터는 정신유전학 컨소시엄(Psychiatric Genomics Consortium, PGC)에서 획득하였다. 추가로, RNA-seq 두 개의 데이터셋(GSE211154: 환자 20명과 대조군 19명; GSE30573: 환자 3명과 대조군 3명)에서 유전자 기반 GWAS로 확인된 유전자에 대해 ASD 환자와 대조군 간 차등 발현을 조사하였다. ASD 2019 데이터에서 ASD와 유의하게 연관된 5개 유전자를 확인하였는데, KIZ-AS1(p = 8.67 × 10-10), KIZ(p = 1.16 × 10-9), XRN2(p = 7.73 × 10-9), SOX7(p = 2.22 × 10-7), LOC101929229(PINX1-DT로도 알려짐, p = 2.14 × 10-6)였다. 이들 5개 유전자 중 유전자 SOX7(p = 0.00087)과 LOC101929229(p = 0.009)는 ASD 2017 데이터에서 복제되었다. KIZ-AS1(p = 0.059)과 KIZ(p = 0.06)는 ASD 2017 데이터에서 복제 경계(boundary)에 근접하였다. 유전자 SOX7은 GSE211154 RNA-seq 데이터에서 환자와 대조군 간 유의한 발현 차이를 보였으며(SOX7, p = 0.036: 전체 샘플; p = 0.044: 백인 샘플), 또한 GSE30573 RNA-seq 데이터에서 환자에서 대조군보다 SOX7의 발현이 상향 조절되었다(p = 0.0017; Benjamini-Hochberg 보정 p = 0.0085). SOX7은 SOX(SRY-related HMG-box) 전사인자 계열의 한 구성원을 암호화하며, 여러 계통에서 세포 운명과 정체성을 결정하는 데 핵심적으로 기여한다. 암호화된 단백질은 다른 단백질들과의 단백질 복합체 형성을 통해 전사 조절자로 작용할 수 있으며, 이는 자폐로 이어질 수 있다. 전사인자 계열의 유전자 SOX7은 ASD와 연관될 수 있다. 이러한 발견은 ASD의 새로운 진단 및 치료 전략을 제공할 수 있다.

목적: 모델은 우울증에서 손상된 신경가소성의 분자적 기전을 탐구하는 데 유용하다. 본 연구에서는 신경가소성에 관여하는 주요 경로들, 즉 BDNF, sirtuin 1, mTORC1 신호전달에 대한 합성 글루코코르티코이드 덱사메타손의 영향을 조사하기 위해 3차원 스페로이드 모델을 개발하였다. 방법: 마이크로-스페로이드 장치는 포토리소그래피 및 소프트 리소그래피를 이용해 제작하였으며, 일차 랫드 피질 세포로부터 피질 스페로이드를 생성하였다. 이 스페로이드에는 뉴런, 성상교세포, 미세아교세포, 희소돌기아교세포가 포함되어 있었고, 덱사메타손을 다양한 농도로 처리하였다. 결과: 덱사메타손 처리(100, 200, 300 μM)는 세포 생존성, BDNF mRNA 발현, 그리고 뉴라이트(신경돌기) 신장에 대해 농도 의존적인 감소를 초래하였다. 100 μM에서 덱사메타손은 BDNF 및 sirtuin 1의 발현을 감소시키고 ERK1/2의 인산화를 감소시켰다. 또한 mTORC1, 4E-BP1 및 p70S6K의 인산화뿐 아니라 PSD-95 및 GluA1과 같은 시냅스 단백질의 발현도 감소시켰다. 결론: 우울증 모델은, 이들의 더 광범위한 적용 가능성을 확인하기 위해 추가적인 검증이 필요하다.

신경가소성 손상은 우울증의 핵심 병태생리 기전 중 하나이다. Sirtuin 1은 신경가소성에서 중요한 역할을 하나, 그 정확한 기전은 아직 불명확하다. 본 연구는 덱사메타손(dexamethasone) 유발 신경독성 조건에서 랫드 1차 대뇌피질 세포에서 mTORC1 신호전달을 통해 sirtuin 1이 수상돌기 신장과 척추(spine) 형성을 조절하는지 여부를 평가하였다. 대뇌피질 세포에 선택적 sirtuin 1 활성화제인 SRT2104(0.1, 1, 10 µM)를 덱사메타손(500 µM)과 함께 처리하였다. 단백질 수준의 sirtuin 1, mTORC1 신호전달 구성요소, 그리고 시냅스 표지자(PSD-95 및 GluA1)는 웨스턴 블롯팅으로 분석하였으며, 수상돌기 신장과 척추 밀도는 면역형광을 통해 평가하였다. SRT2104는 sirtuin 1 발현과 ERK1/2( sirtuin 1의 하위 표적) 인산화 수준을 유의하게 증가시켰다. 또한 SRT2104는 mTORC1의 인산화 수준 및 mTORC1의 하위 표적인 4E-BP1과 p70S6K의 인산화 수준을 현저히 증가시켰다. 더 나아가 SRT2104는 수상돌기 신장과 척추 밀도를 증가시켰다. 반대로, siRNA 형질도입을 통한 sirtuin 1의 knockdown은 ERK1/2 및 mTORC1 인산화를 현저히 감소시켰을 뿐 아니라, 수상돌기 복잡성과 척추 형성도 유의하게 감소시켰다. 이러한 결과는 sirtuin 1이 mTORC1 신호전달을 활성화함으로써 신경가소성을 촉진하며, 우울증 치료를 위한 잠재적 치료적 함의를 제공함을 시사한다.