교모세포종 다형성(glioblastoma multiforme, GBM)은 가장 공격적인 뇌종양 중 하나이며, 종양의 개시, 진행 및 재발을 주도하는 교종 줄기세포(glioma stem cells, GSCs)를 포함한다. 이들 세포는 기존의 치료에 저항성을 보이며, 그 결과 GBM 환자에서 높은 재발률로 이어진다. 특히 GSC 니치(GSC niche)를 포함하여 종양 미세환경(tumor microenvironment, TME)을 모사하는 체외 모델을 개발하는 것은 GBM의 성장과 치료 저항성을 이해하는 데 필수적이다. 3차원(3D) 구상체(spheroid) 모델은 전통적인 2차원(2D) 배양에 비해 더 생리학적으로 타당한 접근법을 제공하며, 저산소증(hypoxia), 세포 이질성(cell heterogeneity), 약물 저항성(drug resistance)과 같은 주요 종양 특징을 재현한다. 본 종설은 3D GBM 구상체를 생성하기 위한 무지지체(scaffold-free) 및 지지체(scaffold-based) 기반 방법을 검토하고, 암 줄기세포 니치 연구에서의 적용에 초점을 맞춘다. 논의에서는 매달린 방울(hanging drop), 저부착(low-adhesion) 플레이트, 자기부상(magnetic levitation)과 같은 방법뿐 아니라, 세포외기질(extracellular matrix) 기반 하이드로젤에 구상체를 포함시키는 연구의 진전과 3D 바이오프린팅을 활용하여 보다 정교한 종양 모델을 제작하는 접근을 함께 다룬다. 이러한 3D 배양 시스템은 GBM 생물학에 대한 이해를 높이고 보다 효과적인 표적 치료법을 고안하는 데 상당한 잠재력을 제공한다.

목적: 파킨슨병(Parkinson's disease, PD)은 도파민성 뉴런의 소실과 흑색질(substantia nigra, SN)에서의 지속적인 신경염증을 특징으로 하는 신경퇴행성 질환으로, 도파민 결핍을 유발하여 운동장애로 이어질 수 있다. 신경염증은 노화 뇌 및 신경퇴행성 질환에서 흔히 관찰되는 특징이다. 인플라마좀(inflammasome) 관련 신경염증은 PD의 진행에 관여한다. 방법: 시미퓨진(cimifugin)의 효과를 MPTP(1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine)로 유도한 PD 마우스 모델에서 조사하였다. 시미퓨진은 Saposhnikovia divaricata (Turcz.) Schischkin의 주요 성분 중 하나이다. 로토로드(rotarod), 폴(pole), 견인(traction) 검사와 같은 행동검사를 수행하여 파킨슨 관련 운동 결손의 회복 효과를 측정하였다. 결과: 분석 결과, 시미퓨진 처치는 용량 의존적으로 운동 기능 장애를 완화하였다. 또한 시미퓨진은 티로신 하이드록실레이스(tyrosine hydroxylase) 면역염색으로 측정한 바와 같이 도파민성 뉴런의 생존을 증가시켜 신경보호 효과를 제공하였다. 시미퓨진은 MPTP 손상된 SN에서 NLR family pyrin domain-containing 3(NLRP3)/caspase-1/interleukin 1β 신호전달을 억제함으로써 신경염증을 감소시켰다. 나아가 NLRP3 작용제인 요산나트륨(monosodium urate) 결정은 PD 모델에서 시미퓨진에 의해 유도된 운동 기능 개선을 역전시켰다. 결론: 이러한 결과는 시미퓨진 투여가 PD 완화를 위한 잠재적 치료 전략임을 시사한다.

결합조직 성장인자(connective tissue growth factor, CTGF)는 혈관에서 높은 수준으로 발현되며, 세포 증식, 혈관신생 및 상처 치유와 같은 여러 생리적 과정의 조절자로서 기능한다. 또한 CTGF는 종양 발생과 조직 섬유화 같은 다양한 병적 과정에 관여하는 것으로 보고되어 왔다. 그러나 CTGF의 주요 역할 중 하나는 섬유아세포가 근섬유아세포(myofibroblast)로 분화하도록 촉진하는 것이며, 이는 질병 진행에 관여한다. 따라서 본 연구는 저산소증/재산소화(hypoxia/reoxygenation, H/R) 상황에서 미세혈관의 병적 변화가 섬유아세포의 근섬유아세포로의 활성화를 어떻게 유도할 수 있는지에 대한 가능한 기전을 규명하고자 하였다. 본 연구에서는 인간 제대정맥 내피세포(human umbilical vein endothelial cells, HUVECs)와 정상 인간 피부 유래 섬유아세포를 사용하였다. CTGF의 발현 수준은 western blot 분석 및 역전사-반정량 PCR(reverse transcription-semi-quantitative PCR)로 확인하였다. HUVEC의 섬유아세포에 대한 상호분비(paracrine) 효과를 분석하기 위해, HUVEC를 CTGF 발현 아데노바이러스에 감염시킨 다음 HUVEC의 배양 상등액을 수집하여 섬유아세포를 처리하였다. 섬유아세포에서 α-평활근 액틴(α-smooth muscle actin, α-SMA) 스트레스 섬유의 형성은 면역형광 염색으로 관찰하였다. 그 결과 H/R은 HUVEC에서 CTGF 발현을 유의하게 증가시키는 것으로 나타났다. 또한 CTGF는 섬유아세포의 근섬유아세포로의 분화를 직접 유도할 수 있었다. 더 나아가, CTGF 과발현 HUVEC의 배양 상등액은 섬유아세포에서 α-SMA 스트레스 섬유의 형성을 자극하였으며, 이는 integrin αVβ3에 대한 기능적 차단 항체 처리에 의해 억제되었고, α6 integrin에 대한 차단 항체에 의해서는 상대적으로 덜 억제되었다. 이어서 HUVEC에서의 H/R에 의한 CTGF 상향조절 기전을 평가한 결과, CTGF 단백질은 정상 산소 대조군에 비해 H/R 군에서 더 안정적인 것으로 확인되었다. 이러한 결과는 허혈/재관류 조건에서 혈관 내피세포가 발현·분비하는 CTGF가 인접한 섬유아세포에 상호분비 경로를 통해 영향을 미쳐, 결과적으로 근섬유아세포 관련 질환을 촉진할 수 있음을 시사한다. 이러한 연관성은 치료 표적의 잠재력을 가질 수 있다.

마우스에서 마트리겔 플러그 분석(Matrigel plug assay)을 수행하였다. 이러한 결과는 isolinderalactone에 의한 혈관신생 억제의 근거를 제공하며, GBM 종양 세포의 직접적인 혈관신생 효과에 대항하여 isolinderalactone이 항(抗)혈관신생 효과를 나타냄을 보여준다.

교모세포종 다형성(glioblastoma multiforme, GBM)은 가장 공격적인 뇌종양 중 하나이며, 종양의 개시, 진행 및 재발을 주도하는 교종 줄기세포(glioma stem cells, GSCs)를 포함한다. 이들 세포는 기존의 치료에 저항성을 보이며, 그 결과 GBM 환자에서 높은 재발률로 이어진다. 특히 GSC 니치(GSC niche)를 포함하여 종양 미세환경(tumor microenvironment, TME)을 모사하는 체외 모델을 개발하는 것은 GBM의 성장과 치료 저항성을 이해하는 데 필수적이다. 3차원(3D) 구상체(spheroid) 모델은 전통적인 2차원(2D) 배양에 비해 더 생리학적으로 타당한 접근법을 제공하며, 저산소증(hypoxia), 세포 이질성(cell heterogeneity), 약물 저항성(drug resistance)과 같은 주요 종양 특징을 재현한다. 본 종설은 3D GBM 구상체를 생성하기 위한 무지지체(scaffold-free) 및 지지체(scaffold-based) 기반 방법을 검토하고, 암 줄기세포 니치 연구에서의 적용에 초점을 맞춘다. 논의에서는 매달린 방울(hanging drop), 저부착(low-adhesion) 플레이트, 자기부상(magnetic levitation)과 같은 방법뿐 아니라, 세포외기질(extracellular matrix) 기반 하이드로젤에 구상체를 포함시키는 연구의 진전과 3D 바이오프린팅을 활용하여 보다 정교한 종양 모델을 제작하는 접근을 함께 다룬다. 이러한 3D 배양 시스템은 GBM 생물학에 대한 이해를 높이고 보다 효과적인 표적 치료법을 고안하는 데 상당한 잠재력을 제공한다.

목적: 파킨슨병(Parkinson's disease, PD)은 도파민성 뉴런의 소실과 흑색질(substantia nigra, SN)에서의 지속적인 신경염증을 특징으로 하는 신경퇴행성 질환으로, 도파민 결핍을 유발하여 운동장애로 이어질 수 있다. 신경염증은 노화 뇌 및 신경퇴행성 질환에서 흔히 관찰되는 특징이다. 인플라마좀(inflammasome) 관련 신경염증은 PD의 진행에 관여한다. 방법: 시미퓨진(cimifugin)의 효과를 MPTP(1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine)로 유도한 PD 마우스 모델에서 조사하였다. 시미퓨진은 Saposhnikovia divaricata (Turcz.) Schischkin의 주요 성분 중 하나이다. 로토로드(rotarod), 폴(pole), 견인(traction) 검사와 같은 행동검사를 수행하여 파킨슨 관련 운동 결손의 회복 효과를 측정하였다. 결과: 분석 결과, 시미퓨진 처치는 용량 의존적으로 운동 기능 장애를 완화하였다. 또한 시미퓨진은 티로신 하이드록실레이스(tyrosine hydroxylase) 면역염색으로 측정한 바와 같이 도파민성 뉴런의 생존을 증가시켜 신경보호 효과를 제공하였다. 시미퓨진은 MPTP 손상된 SN에서 NLR family pyrin domain-containing 3(NLRP3)/caspase-1/interleukin 1β 신호전달을 억제함으로써 신경염증을 감소시켰다. 나아가 NLRP3 작용제인 요산나트륨(monosodium urate) 결정은 PD 모델에서 시미퓨진에 의해 유도된 운동 기능 개선을 역전시켰다. 결론: 이러한 결과는 시미퓨진 투여가 PD 완화를 위한 잠재적 치료 전략임을 시사한다.

결합조직 성장인자(connective tissue growth factor, CTGF)는 혈관에서 높은 수준으로 발현되며, 세포 증식, 혈관신생 및 상처 치유와 같은 여러 생리적 과정의 조절자로서 기능한다. 또한 CTGF는 종양 발생과 조직 섬유화 같은 다양한 병적 과정에 관여하는 것으로 보고되어 왔다. 그러나 CTGF의 주요 역할 중 하나는 섬유아세포가 근섬유아세포(myofibroblast)로 분화하도록 촉진하는 것이며, 이는 질병 진행에 관여한다. 따라서 본 연구는 저산소증/재산소화(hypoxia/reoxygenation, H/R) 상황에서 미세혈관의 병적 변화가 섬유아세포의 근섬유아세포로의 활성화를 어떻게 유도할 수 있는지에 대한 가능한 기전을 규명하고자 하였다. 본 연구에서는 인간 제대정맥 내피세포(human umbilical vein endothelial cells, HUVECs)와 정상 인간 피부 유래 섬유아세포를 사용하였다. CTGF의 발현 수준은 western blot 분석 및 역전사-반정량 PCR(reverse transcription-semi-quantitative PCR)로 확인하였다. HUVEC의 섬유아세포에 대한 상호분비(paracrine) 효과를 분석하기 위해, HUVEC를 CTGF 발현 아데노바이러스에 감염시킨 다음 HUVEC의 배양 상등액을 수집하여 섬유아세포를 처리하였다. 섬유아세포에서 α-평활근 액틴(α-smooth muscle actin, α-SMA) 스트레스 섬유의 형성은 면역형광 염색으로 관찰하였다. 그 결과 H/R은 HUVEC에서 CTGF 발현을 유의하게 증가시키는 것으로 나타났다. 또한 CTGF는 섬유아세포의 근섬유아세포로의 분화를 직접 유도할 수 있었다. 더 나아가, CTGF 과발현 HUVEC의 배양 상등액은 섬유아세포에서 α-SMA 스트레스 섬유의 형성을 자극하였으며, 이는 integrin αVβ3에 대한 기능적 차단 항체 처리에 의해 억제되었고, α6 integrin에 대한 차단 항체에 의해서는 상대적으로 덜 억제되었다. 이어서 HUVEC에서의 H/R에 의한 CTGF 상향조절 기전을 평가한 결과, CTGF 단백질은 정상 산소 대조군에 비해 H/R 군에서 더 안정적인 것으로 확인되었다. 이러한 결과는 허혈/재관류 조건에서 혈관 내피세포가 발현·분비하는 CTGF가 인접한 섬유아세포에 상호분비 경로를 통해 영향을 미쳐, 결과적으로 근섬유아세포 관련 질환을 촉진할 수 있음을 시사한다. 이러한 연관성은 치료 표적의 잠재력을 가질 수 있다.

마우스에서 마트리겔 플러그 분석(Matrigel plug assay)을 수행하였다. 이러한 결과는 isolinderalactone에 의한 혈관신생 억제의 근거를 제공하며, GBM 종양 세포의 직접적인 혈관신생 효과에 대항하여 isolinderalactone이 항(抗)혈관신생 효과를 나타냄을 보여준다.

뇌졸중은 전 세계적으로 사망 원인 2위로 널리 인식되어 운동 기능과 인지 기능 모두를 중대하게 손상시킨다. 뇌졸중 후 기능 회복을 위해 재생을 촉진하는 것은 핵심이며, 더 나은 뇌졸중 후 예후를 달성하기 위해 신경재생을 촉진하는 전략이 필요하다. 뇌유래 신경영양인자(Brain-derived neurotrophic factor, BDNF)는 운동 능력, 학습, 기억 및 뇌졸중 후 재활에 영향을 줌으로써 신경재생에서 중요한 역할을 한다. 그러나 단백질 크기가 상당히 크고, BDNF의 반감기가 짧으며, 혈액-뇌 장벽이 효율적인 뇌 전달을 방해한다는 점과 같은 과제가 있다. 본 연구에서는 BDNF 모사체인 LM22A-4를 Smart Mesoporous Ball (SMB-3) 시스템을 통해 전달하여 허혈성 손상 뇌를 표적화하고, 마우스 허혈성 뇌졸중 모델에서 그 잠재적 치료 효과를 탐색하고자 하였다. LM22A-4 탑재 SMB-3(LM22A-4-SMB-3)로 처리한 경우, LM22A-4 단독 처리에 비해 허혈성 뇌졸중 후 신경학적, 운동, 인지 결손이 현저히 회복되었다. 또한 TUNEL 분석 결과로 확인한 바와 같이 LM22A-4-SMB-3 투여는 세포자멸사(apoptotic) 세포 사멸과 교세포 활성화를 감소시켰으며, GFAP 및 Iba-1 발현 수준도 낮추었다. 더 나아가 LM22A-4-SMB-3 처리군에서는 Erk의 인산화는 아니지만 TrkB와 Akt의 인산화가 상당히 증가하였다. 치료는 BrdU+/NeuN+ 세포 수를 증가시키는 한편, 뇌졸중 후 뇌 위축(atrophy)도 현저히 감소시켰다. 이러한 결과는 LM22A-4-SMB-3가 p-TrkB 및 p-Akt 수준을 증가시키고 신경생성을 촉진함으로써 허혈성 손상을 완화하고 신경학적, 운동 및 인지 기능을 회복시킬 수 있음을 시사한다. 따라서 SMB-3 매개 전달을 통한 LM22A-4는 잠재적으로 적용 가능한 전달 시스템이며, LM22A-4-SMB-3의 사용은 뇌졸중 후 예후를 개선하기 위한 새로운 치료 전략으로 고려될 수 있다.

허혈성 뇌 손상은 중대한 신경학적, 운동 및 인지 장애를 초래할 뿐 아니라, 뇌경색 부위에서 독성 용질 및 친염증성 사이토카인의 축적을 유발하여 허혈성 뇌 손상을 악화시킨다. 뇌 노폐물 제거와 항상성 유지에 중요하게 관여하는 글림프계(glymphatic system)는 허혈성 손상으로 인해 기능이 저하되며, 이는 뇌졸중 후 합병증에 대한 치료 전략 개발의 중요성을 부각시킨다. 본 연구에서는 근적외선 마이크로 발광 다이오드(near-infrared micro-light-emitting diode)와 투명 미세침(transparent microneedles)을 결합한 새로운 하이브리드 전기-광학 자극 장치를 제안하여, 허혈성 뇌졸중 치료를 위한 대뇌피질 부위의 효율적인 비침습적 자극을 가능하게 한다. 본 연구는 이 하이브리드 전기-광학 자극이 글림프계 기능을 향상시키고 중대뇌동맥 폐색 및 재관류(middle cerebral artery occlusion and reperfusion, MCAO/R) 마우스 모델에서 허혈성 뇌 손상을 완화하는지 여부를 조사한다. 그 결과, 하이브리드 자극은 MCAO/R 이후 신경학적, 운동 및 인지 기능을 개선하고 뇌 위축을 감소시킨다. 또한 하이브리드 자극은 아쿠아포린-4(aquaporin-4, AQP4)의 편향(polarization)을 조절함으로써 손상된 글림프계 기능을 회복시키고, IL-1β와 같은 친염증성 사이토카인의 축적을 완화한다. 특히 AQP4 억제는 하이브리드 자극에 의해 개선된 기능적 결과를 부분적으로 되돌린다. 이러한 결과는 하이브리드 전기-광학 자극을 이용하여 글림프 배출(glymphatic drainage)을 표적화하는 것이 허혈성 뇌 손상을 치료하기 위한 유망한 치료 접근임을 시사한다.

Weisheng-tang은 P2Y12R을 통해 미세아교세포의 형태를 조절함으로써 실험적 뇌졸중의 결과를 개선하였으며, 허혈성 뇌졸중에서의 신경보호 잠재력을 조명하였다.