곰팡이·바이러스가 뇌 보호벽 뚫는 원리 밝혀냈다

조승우 연세대 교수팀 "뇌 수막염 등 치료 예방 활용 가능성"

[아시아경제 김봉수 기자] 인간의 뇌는 외부로부터 침입하는 독소나 약물, 바이러스, 곰팡이 등으로부터 보호할 수 있도록 필요한 물질만 통과시키는 특이한 구조의 벽에 둘러 싸여 있다. 그러나 일부 병원성 곰팡이 등은 이를 뚫고 뇌에 침입해 뇌수막염을 일으켜 인간에게 치명적인 병을 일으킨다. 한국 연구진이 어떻게 이같은 일이 발생하는 지 규명해 내 관련 질환 치료에 청신호를 켰다.

15일 한국연구재단에 따르면 조승우 연세대 생명공학과 교수 연구팀은 인간의 뇌를 둘러 싸고 있는 혈뇌 장벽(blood-brain -barrier)의 구조와 기능적 특징을 모사한 인공 혈뇌장벽 칩을 설계했다고 밝혔다.

혈뇌 장벽이란 우리 몸의 모든 신체활동을 관장하는 장기인 뇌를 포함한 중추신경계를 둘러싸고 있는 선택적 투과막이다. 혈액을 통해 감염될 수 있는 병원체와 해로운 외부 물질의 통과를 차단한다.

연구팀은 인공 혈뇌장벽 칩을 통해 어떤 병원체나 화합물이 이 장벽을 통과할 수 있는지, 통과한다면 어떤 양상인지 미리 실험실에서 모델링해 볼 수 있게 됐다. 연구팀은 수 백 마이크로미터 수준의 미세채널들로 구성한 칩에 뇌혈관과 뇌세포를 모사해 배양하고, 그 사이에 혈뇌장벽을 구현해냈다. 뇌혈관을 모사한 미세채널을 통해 배양액과 함께 주입된 다양한 물질이 혈뇌장벽을 모사한 선택적 투과막을 통과해 뇌세포를 모사한 챔버로 이동하는지 현미경을 이용해 실시간으로 관찰할 수 있다.

핵심은 3차원 하이드로젤로 세포가 자랄 수 있는 미세환경을 모사, 배양액의 흐름을 제어하면서 신경줄기세포, 뇌혈관 내피세포, 뇌혈관 주피세포를 공배양함으로써 실제 뇌 발달시 뇌혈관세포의 생장과 혈관신생 과정을 모사한 것이다. 분자량이 제각각인 여러 물질이 사이토카인을 처리했을 때만 바이오칩의 투과막을 통과하는 것을 통해 실제 혈뇌장벽처럼 선택적 투과막으로 작동할 수 있음을 검증했다.

특히 연구팀은 특정 병원성 곰팡이(크립토코쿠스 네오포만스)가 뇌 수막염이나 뇌염을 일으키는 기전을 규명했다. 바이오칩에 주입했을 때 이 곰팡이가 마치 뇌세포를 찾아가는 것처럼 투과막으로 이동한 후 응집된 형태로 통과하는 현상을 실시간으로 관찰하고, 이에 관여하는 유전자를 알아낸 것이다. 그동안 이 곰팡이로 인한 뇌 감염은 알려져 있었지만 적절한 실험모델이 없어 이 곰팡이가 어떻게 뇌에 도달하는지 알지 못했다. 연구진이 찾아낸 유전자를 제거한 곰팡이는 혈뇌장벽 모사막을 통과하지 못하는 것으로 확인하기도 했다. 곰팡이성 뇌수막염에 작용할 수 있는 후보물질 발굴이나 혈뇌장벽을 통과할 수 있는 화합물 발굴에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

이 연구 결과는 의생명공학 분야 국제학술지 네이처 바이오메디컬 엔지니어링(Nature Biomedical Engineering)에 15일자로 게재됐다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr