출처(영문): https://singularityhub.com/2018/04/18/mini-brains-just-grew-their-own-blood-vessels-heres-why-thats-great-news/#sm.00000qwt7bgp3gehrtlbbfjvau2tc

 



A cross-section of a mini-brain. Blood vessels, here in red, penetrate the outer layer into the middle core. Image Credit: UC Davis Institute For Regenerative Cures


소형 뇌의 단면도. 빨간색의 혈관이 외층을 침투하여 중심부를 향해 자라는 것을 볼 수 있다. 사진 제공: UC DAVIS 재생치료연구소



When brain balls first hit the neuroscience scene in 2013, they were just a curious oddity. Each smaller than a grain of sand, brain balls are conglomerates of neurons seemingly haphazardly mushed into misshapen blobs. But there’s a serious twist: they’re utterly, completely, absolutely alive.


뇌 덩어리가 신경과학에 처음 소개된 것은 2013년으로, 당시에는 그냥 흥미로운 연구주제에 불과했다. 크기가 모래알보다 작은 이 뇌 덩어리들은 그저 아무렇게나 배열된 뉴런의 집합체처럼 보였다. 하지만 나중에 예상치 못한 사실이 밝혀졌다: 이 덩어리들은 정말로, 진정으로 살아 있었던 것이다.

 


Yup, that’s right: scientists are making living blobs of brain-like organs floating in a dish.

맞다. 과학자들은 페트리접시 안을 떠다니는, 살아있는 뇌 유사 장기를 만드는데 성공한 것이다.


 

Rather than just the stuff of nightmares, these little guys soon proved their worth. When grown inside a host mouse (creepy!), brain balls—or as the academic community calls them, cerebral organoids—organize into 3D structures remarkably similar to the developing brain.


악몽처럼 들리는 얘기겠지만, 이 작은 장기들은 그 유용성을 입증했다. 쥐를 숙주삼아 성장한 이 뇌 덩어리들(좀 더 학술적으로 표현하면 대뇌유사기관)은 실제 성장 중인 뇌와 매우 비슷한 3차원 구조로 조직화를 한다.

 


They sparkle with electrical activity. They develop retinal cells—the critical component of eyes (creepier!). They’re a cellular bonanza of neurons and non-neural cells called glia. By eight months old, they contain roughly the same density of synapses as a human fetal cortex.


이들은 전기적 활동을 보인다. 이들은 눈의 핵심요소인 망막세포를 생성해낸다. 이들은 뉴런 및 비뉴런세포에 속하는 신경교세포의 혼합체이다. 형성 후 8개월이 지나면 이들은 인간 배아의 피질과 비슷한 정도의 시냅스 밀도를 보인다.


 

While few are willing to argue that brain balls “think” or “see,” they’re definitely doing something. Add the fact that they’re made up of human cells—rather than animal ones—and many neuroscientists believe they’re our best bet for studying neurodevelopmental disorders like autism or schizophrenia.


이런 뇌 덩어리들이 뭔가를 생각하거나 볼 수 있다고 주장하는 사람은 극소수지만, 이들은 실제로 뭔가를 하고 있다. 그리고 이들이 동물의 세포가 아니라 인간의 세포로 만들어졌다는 사실 때문에 많은 신경과학자들은 이들을 자폐증이나 조현병 같은 뉴런발달장애를 연구하는데 최적의 대상으로 생각하고 있다.


 

They’ve already proven their worth for finding drugs that protect the Zika-infected fetal brain. Some even think they’re the key to cracking glioblastoma, the deadliest type of brain cancer.


이미 이들은 지카 바이러스에 감염된 배아 뇌를 보호해주는 약을 발견하는데 그 유용성을 입증했다. 몇몇 과학자들은 이들이 뇌 암의 가장 치명적인 형태인 악성 뇌교종을 치료하는데 중요한 역할을 할 것이라고 생각한다.


 

There’s just one major problem: brain balls have no heart.

그러나 심각한 문제가 하나 있다. 이 뇌 덩어리한테는 심장이 없다.


 

Because they lack their own blood supply, brain balls have no way to actively shuttle oxygen and nutrients to their dense inner core. Without vessels, these neurons drown in their own metabolic waste and gradually wither and die. Take away blood, and there’s no way for brain balls to mature past the equivalent of a fetal second trimester.


자체적인 혈관 공급망이 없기 때문에 뇌 덩어리 내부까지 산소 및 영양분이 도달하지 못하는 것이다. 혈관이 없다면 뇌 덩어리 내부의 뉴런들은 자체적으로 생성한 대사폐기물에 파묻혀 점차 시들다가 죽는다. 혈액의 순환이 없다면 이 뇌 덩어리들은 임신 중기의 배아 뇌 수준을 넘지 못한다.


 

Now, for the first time, a team from UC Davis managed to insert a homegrown blood vessel network into maturing brain balls. The trick was to embed baby brain balls into a nutritional gel together with endothelial cells—the cells that line blood vessels.


UC DAVIS 연구진은 사상 최초로 실험실에서 배양한 혈관망을 성장 중인 뇌 덩어리에 삽입하는데 성공했다. 비결은 바로 영양분 젤 안에 뇌 덩어리와 내피세포를 함께 배양하는데 있었다. 내피세포는 혈관 생성에 관여하는 세포이다.


 

When transplanted into a mouse, the brain organoids sprouted extensive vasculature similar to the shape of multi-layered petals in rose buds. These vessels reached far and wide throughout the brain blob, penetrating deep into the core. The team published their results in this month’s NeuroReport.


뇌유사장기를 쥐에 이식하자, 뇌유사장기는 마치 여러 층으로 이루어진 장미꽃 봉오리처럼 광범위한 혈관구조를 만들기 시작했다. 이 혈관구조는 뇌 덩어리 전체로 뻗어나갔으며, 중심부까지 침투했다. 연구진은 해당 결과를 뉴로리포트의 이번달 호에 게재했다.


 

“Vascularization…is considered a crucial next step in the bioengineering of complex human brain tissue,” the authors wrote. A blood supply gives them the chance to mature further into the complex computational organ found in our heads.


“혈관화는 복잡한 인간 뇌조직의 생물개조에 있어서 중요한 단계로 간주된다”라고 저자는 논문에서 말했다. 혈액 공급이 있다면 뇌유사장기는 일반적인 인간의 뇌로 성장할 수도 있다.


 

“It’s a big deal,” said Dr. Christof Koch, president of the Allen Institute for Brain Science who was not involved in the work. Because the point of organoids is to recapitulate a patient’s brain injuries inside the lab, the closer they are to the real thing, the more valuable they become.


“이는 중요한 발견입니다”라고 앨런뇌과학연구소 소장인 크리스토프 코흐 박사가 말했다. 뇌유사장기를 연구하는 궁극적인 목적은 환자의 손상된 뇌를 실험실에서 복구하는데 있으며, 따라서 뇌유사장기가 실제 뇌에 가까워질수록 그 유용성도 높아진다.


 

Skin to Brains

피부에서 뇌로


 

The team tweaked a well-known recipe for making brain balls.

연구진은 기존에 알려진 뇌 덩어리 제조방법을 수정해서 적용했다.


 

They got their idea from studying the developing brain. The brain itself doesn’t have cells that directly mature into blood vessels, they explained. That means the vessels have to come from outside the brain—so if we put a proto-brain together with blood vessel cells, that might work.


연구진은 뇌 발달과정을 연구하면서 아이디어를 얻었다. 사실 뇌에는 혈관을 만드는 세포가 없다. 그렇다면 혈관은 뇌 바깥에서 와야 한다.  따라서 원시 뇌를 혈관 세포와 함께 둔다면 성공할 수도 있다.


 

Someone’s already tested the trick in mice, though—up until now—no one’s attempted it with human organoids.

비록 쥐를 대상으로 이 방법을 실험한 적은 있었지만, 지금까지 그 누구도 인간의 뇌유사장기를 가지고 실험한 적은 없었다.


 

Taking a small sample of a patient’s skin, the team transformed the cells into induced pluripotent stem cells (iPSCs). Similar to naturally-occurring stem cells, iPSCs have the vast ability to convert into almost any type of mature cells in the body.


연구진은 어느 환자로부터 얻은 피부 표본을 사용하여 피부세포를 유도만능줄기세포로 변환시켰다. 자연적으로 발생한 줄기세포와 마찬가지로 이 유도만능줄기세포는 인체 내 그 어떤 종류의 세포로도 분화할 수 있다.


 

The team painstakingly grew the patient’s iPSCs for five weeks inside a nutritious chemical cocktail designed to push them into baby brain organoids. They then isolated each organoid and gently embedded it into a soft gel.


연구진은 각종 정성을 다해 환자의 유도만능줄기세포를 영양성 화학혼합물 속에서 배양했다. 해당 혼합물은 유도만능줄기세포를 뇌유사장기 속으로 밀어넣도록 고안되었다. 그 다음에 연구진은 각각의 뇌유사장기를 격리시켜 부드러운 젤 속에 투입했다.


 

At the same time, the team saved a small portion of iPSCs and transformed them into endothelial cells—cells that line the inside of blood vessels. They laid roughly 250,000 of these guys into the gel, so that they pillowed the nascent brain organoids.


그와 동시에 연구진은 소량의 유도만능줄기세포를 가지고 혈관 내부를 형성하는 내피세포로 만들었다. 약 25만 개의 내피세포를 위에서 말한 젤에 주입시켜 뇌유사장기를 둘러싸도록 했다.


 

After cohabiting for three to five weeks, the team then stuck the vascular brain balls into the ultimate incubator: a living rodent’s brain, from which they had carefully removed a small chunk to make room for their brain organoid. Naked brain balls grown without blood vessel cells were also transplanted as a control.


그렇게 3~5주를 배양한 뒤에 연구진은 혈관이 생긴 뇌 덩어리를 궁극적인 배양기, 즉 살아있는 쥐의 뇌 속으로 넣었다. 참고로 연구진은 뇌 덩어리가 자랄 공간을 확보하기 위해 쥐의 뇌 조금을 떼어냈다. 또한 통제집단으로 혈관이 없는 뇌 덩어리를 함께 넣었다.


 

Two weeks later, the naked organoids died off, whereas the ones grown with blood vessels thrived. When the team studied their bizarre organoids under the microscope, they found massive networks of blood vessels and capillaries blooming throughout the mini-brain, even at the normally dead center core.


2주가 지나자 혈관이 없는 뇌유사장기는 사멸했지만 혈관이 있는 뇌유사장기는 계속 성장했다. 연구진이 해당 뇌유사장기를 현미경으로 관찰한 결과, 작은 뇌 속에 거대한 혈관망과 모세혈관이 생겨난 것을 발견했다. 심지어 대부분의 경우 사멸하는 뇌 덩어리 중심부에도 혈관을 볼 수 있었다.


 

Mouse With Human Brains

인간의 뇌를 가진 쥐


 

Waldau isn’t the first to tackle the blood vessel problem.

이런 혈관 문제를 해결하기 위해 시도한 것은 왈다우 뿐만이 아니다.


 

Last year, at the Society for Neuroscience annual meeting, scientists from the Salk Institute and the University of Pennsylvania both reported vascularized mini-brains. When transplanted into rodent brains, the rodents’ own vessels tunneled inside the human brain transplants to bathe them in nutrient-rich blood.


작년에 신경과학협회 연차학술대회에서 살크연구소와 펜실베니아주립대학교 연구진이 혈관화가 진행된 소형 뇌를 발표했다. 뇌 덩어리를 쥐의 뇌에 이식하자, 쥐의 혈관이 인간 뇌 이식체로 침투하여 혈액 및 영양분을 공급했다는 것이다.


 

That’s definitely one way towards more complex brain organoids. But many in the field are iffy about potential consequences. The transplanted organoids reached out extensive neuronal branches into the rodent brain, and formed functional synapses with their host. When stimulated, those synapses lit up like fireworks.


이는 예전보다 더 복잡한 뇌유사장기를 향한 첫 걸음이라 할 수 있다. 그러나 해당 분야를 전공하는 과학자의 대다수는 그 잠재적인 결과에 대해 복잡한 태도를 보이고 있다. 이식된 인간뇌유사장기는 쥐의 뇌 속으로 광범위한 뉴런 가지를 뻗쳐 실제로 기능을 하는 시냅스를 형성했다. 해당 시냅스를 자극한 결과 전기적인 반응이 일어났다.


 

“It brings up some pretty interesting questions about what allows us, ethically, to do research on mice in the first place—namely, that they’re not human,” said Dr. Josephine Johnston, a bioethicist at the Hastings Center at the time. “If we give them human cerebral organoids, what does that do to their intelligence, their level of consciousness, even their species identity?”


“이는 쥐 대상 실험을 가능하게 만드는 요건, 즉 쥐는 인간이 아니라는 사실에 관해 매우 흥미로운 질문을 제기하고 있습니다”라고 해스팅센터의 조세핀 존스턴 박사가 말했다. “만일 인간뇌유사장기를 쥐에게 준다면, 쥐의 지능과 의식, 종 정체성은 어떻게 되는 것일까요?”.


 

Brain organoids are reaching a tipping point, one that bioethicists and scientists aren’t ready to deal with. Waldau’s self-vascularized brain balls offer a way out.


뇌유사장기는 점점 임계점을 향해 가고 있으며, 생물윤리학자들과 과학자들은 이를 해결할 준비가 되어 있지 않다. 왈다우가 만든 혈관화 뇌 덩어리는 이에 대한 해결책을 제시해 주고 있다.


 

If brain balls can grow their own blood vessels, scientists could potentially take rodent hosts (at least partially) out of the picture. One potential way is to hook them up to microfluidic pumps: a brain inside a vat, while often a sci-fi trope, is far less skin-crawling than a rodent with human brain blobs.


만일 뇌 덩어리가 자체 혈관을 만들어낼 수 있다면, 과학자들은 실험쥐를 쓰지 않아도 된다(최소한 부분적으로는). 현재 거론되고 있는 방법 중 하나는 뇌유사장기에 미소유체 펌프를 연결하는 것이다. 통 안에 들은 뇌라니 SF에서나 볼 법한 장면이지만, 인간의 뇌를 가진 쥐보다는 훨씬 소름이 덜 끼친다 (...응? -_-).


 

Scientists can use these so-called “ex vivo” mini-brains to screen for neurological drugs. These vascularized blobs are especially useful for conditions like stroke, Alzheimer’s, and brain injury, because they often cause the brain’s vasculature to reorganize.


과학자들은 이렇게 체외생성된(또는 탈체식) 소형 뇌를 가지고 신경 의약품 선별에 쓸 수 있다. 혈관화가 이루어진 뇌 덩어리는 특히 뇌졸중, 알츠하이머, 뇌 손상 연구에 유용하게 쓸 수 있을 것인데, 그 이유는 상기한 질환들이 종종 뇌혈관의 재구성을 유발하기 때문이다.
출처(ref.) : 조이 SF 클럽 - SF/과학 이야기 - 실험실에서 배양한 인간 뇌가 자체 혈관을 생성하다 - http://www.joysf.com/?mid=forum_sf&page=3&document_srl=4999773
by 헥사크론