한국과학기술원(KAIST)은 바이오·뇌공학과 박제균·남윤기 교수 공동연구팀이 뇌 조직과 유사한 천연 하이드로겔을 이용해 뇌의 구조적·기능적 연결성을 분석할 수 있는 신경세포 네트워크 플랫폼을 개발했다고 16일 밝혔다.

뇌의 복잡한 다층 구조를 분석하기 위해 3차원(3D) 신경세포 배양 기술에 대한 연구가 이뤄지고 있다.

기존 바이오잉크를 사용한 3D 프린팅 기술은 신경세포의 증식과 신경돌기 성장을 제한하는 한계가 있다.

하이드로겔은 뇌와 기계적 특성이 유사하다는 장점이 있지만, 정밀한 패턴을 형성하기 어려워 구조적 안정성을 높이기 쉽지 않았다.

연구팀은 묽은 하이드로겔이 흐르지 않도록 마이크로 메시(스테인리스 철망) 위에 딱 붙게 해주는 '모세관 고정 효과'를 이용, 기존보다 6배 정밀한 해상도 뇌 구조를 재현하는 데 성공했다.

프린팅된 층들이 삐뚤어지지 않고 정확히 쌓이도록 맞춰주는 '3D 프린팅 정렬기'로 다층 구조체를 정밀하게 조립했고, 아래쪽은 전기신호를 측정하고 위쪽은 칼슘 농도를 측정해 신경세포 활성화 여부를 파악할 수 있는 칼슘 이미징 기술로 동시에 세포 활동을 관찰할 수 있는 이중 모드 분석 시스템을 적용했다.

연구팀은 뇌와 유사한 탄성 특성을 지닌 피브린 하이드로겔을 이용해 3층으로 된 3D 프린팅 미니 뇌를 구현, 그 안에서 실제 신경세포들이 신호를 주고받는 과정을 실험을 통해 입증했다.

위층과 아래층에는 대뇌 신경세포를 배치하고, 신경세포들이 비어있는 가운데 층을 뚫고 지나가며 연결되도록 설계했다.

아래층에는 미세 전극 칩을 달아 전기 신호를 측정하고 위층은 칼슘 이미징을 통해 세포 활동을 분석한 결과, 전기 자극을 가하자 위층과 아래층 신경세포가 동시에 반응하는 모습이 나타났다.

신경 연결을 차단하는 시냅스(신경세포 간 연접 부위) 차단제를 넣었더니 반응이 줄어들었다.

개발한 모델은 안정적으로 미세 전극 칩 인터페이스를 유지할 수 있어 신호 측정 기간을 기존(14일)보다 열흘 이상(27일) 확대할 수 있다.

신경질환 모델링, 뇌 기능 분석, 신경 독성 평가 등 다양한 뇌 연구 분야에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

이번 연구 성과는 국제 학술지 '바이오센서스 앤 바이오일렉트로닉스'(Biosensors and Bioelectronics) 지난달 11일 자 온라인판에 실렸다.