인간유도만능줄기세포를 뇌세포 및 뇌오가노이드로 보다 손쉽고 저렴한 비용으로 분화시키는 방법의 개발

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인간유도만능줄기세포를 뇌세포 및 뇌오가노이드로 보다 손쉽고 저렴한 비용으로 분화시키는 방법의 개발
제안자 서진수
자문교원 서진수
연도 2020
타입 A형 과제
코스 장영실
매칭여부 Yes
참여학생수 3
소개동영상

제안 배경

다른 신체 장기와 달리 뇌는 연구 수행을 위하여 그 안을 들여다보거나 살아있는 상태의 조직을 얻기가 쉽지 않다. 인구의 고령화에 따라 퇴행성뇌질환을 겪는 환자의 수가 급격하게 증가하고 있는 현대 사회에서, 치료제 개발을 위해 환자의 뇌조직 혹은 세포가 연구에 활용되는 것이 이상적이지만 이러한 한계로 인하여 많은 연구들이 실험동물모델에 의존하게 된다. 물론 실험동물모델이 많은 장점을 가지고 있지만, 관찰된 결과를 사람의 유전체 시스템에서 재확인 함으로써 그 기능의 검증과 함께 부작용이 없음을 확인하는 단계가 필요하다. 이러한 관점에서 인간뇌모델은 그 필요성이 제기된다.

Cell replacement therapy.jpg


마침 2006년도에 개발된 '인간유도만능줄기세포 변환기술'은 사람의 피부세포를 포함한 체세포를 줄기세포로 전환시킨 후, 이를 다시 뇌세포로 분화시킬 수 있는 방법을 제시하였다.


본 연구자는 이를 활용하여 알츠하이머성 치매 환자의 체세포로부터 뇌세포 및 미니뇌 (뇌오가노이드)를 만들었고, 이 인간 모델 시스템에서 알츠하이머성 치매 환자의 뇌에서 나타나는 병변들이 잘 표현된다는 것을 관찰하였다. 이를 바탕으로 현재 본 연구자는 알츠하이머성 치매의 병리 기전을 밝히고 치료제를 개발하는데 인간유도만능줄기세포를 적극 활용하고 있다. 궁극적으로 환자의 체세포를 직접 연구에 활용하게되면 개인별 병리적 원인의 다양성을 바탕으로, 그리고 치료제에 대한 저항성 및 효과 차이를 해소할 수 있는 맞춤형 치료제의 개발이 가능하다.


이러한 연구가 활발히 진행되는데, 그리고 앞으로 실제 치료로 활용되는데 있어서 가장 큰 장애로 작용하는 요인 중 하나는 바로 비용이다. 인간유도만능줄기세포의 뇌세포 및 뇌오가노이드 분화를 위해 많은 성장인자들이 사용되고 있는데 이는 막대한 비용을 발생시킨다. 이러한 이유로 실제 임상으로 적용되는 경우, 환자들에게는 상당한 치료비용이 요구된다. 실제로 최근 일본에서 시도되었던, 환자의 인간유도만능줄기세포를 이용한 각막제작 및 이식 비용은 약 10억원이나 되었다.


본 과제에서는 최근에 발표된 화학물질 혹은 물리적 자극 등을 통해 세포의 분화가 조절될 수 있다는 연구들을 바탕으로 이를 포함한 다양한 방법들을 고안해보고 활용하여, 인간유도만능줄기세포를 신경세포, 성상교세포, 미세아교세포를 포함한 다양한 뇌세포, 그리고 뇌오가노이드로 보다 손쉽고 저렴한 비용으로 분화시킬 수 있는 방법을 개발하고자 한다.

과제 목표

인간유도만능줄기세포를 신경세포, 성상교세포, 미세아교세포를 포함한 다양한 뇌세포, 그리고 뇌오가노이드로 보다 손쉽고 저렴한 비용으로 분화시킬 수 있는 방법을 개발한다.

과제 내용

현재의 뇌세포, 성상교세포, 미세아교세포, 오가노이드의 분화에서 사용되는 성장인자들의 역할을 이해하고, 이들을 대체할 수 있는 화학적 물질, 물리적 조절 등 다양한 방법을 탐색하고 고안한다. 이 기술을 환자의 인간유도만능줄기세포에 적용하고, 그 결과 생성된 세포의 생리적 기능을 포함한 성격을 검증함으로써 뇌세포로 분화되었음을 확인한다.

참고자료

Takahashi K, Yamanaka S. (2006) Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fibroblast cultures by defined factors. Cell 126(4);663-676

Takahashi K, Tanabe K, Ohnuki M, Narita M, Ichisaka T, Tomoda K, Yamanaka S. (2007) Induction of pluripotent stem cells from adult human fibroblasts by defined factors. Cell 131(5);861-872

Raja WK, Mungenast AE, Lin YT, Ko T, Abdurrob F, Seo J, Tsai LH. (2016) Self-organizing 3D human neural tissue derived from induced pluripotent stem cells recapitulate Alzheimer’s disease phenotypes. PLoS One 11(9):e0161969

Seo J*, Kritskiy O*, Watson LA, Barker SJ, Dey D, Raja WK, Lin YT, Ko T, Cho S, Penney J, Silva MC, Sheridan SD, Lucente D, Gusella JF, Dickerson BC, Haggarty SJ, Tsai LH (2017) Inhibition of p25/Cdk5 attenuates tauopathy in mouse and iPSC models of frontotemporal dementia. J Neurosci 37(41):9917-9924.

Lin YT*, Seo J*, Gao F, Feldman HM, Wen HL, Penney J, Cam HP, Gjoneska E, Raja WK, Cheng J, Rueda R, Kritskiy O, Abdurrob F, Peng Z, Milo B, Yu CJ, Elmsaouri S, Dey D, Ko T, Yankner BA, Tsai LH (2018) APOE4 causes widespread molecular and cellular alterations associated with Alzheimer’s disease phenotypes in human iPSC-derived brain cell types. Neuron 98(6);1141-1154.

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