Rescue of impaired blood-brain barrier in tuberous sclerosis complex patient derived neurovascular unit - 혈뇌장벽 기능 회복 연구 리뷰

dijw1412c1 2025. 3. 27.

이 연구는 결절성 경화증(Tuberous Sclerosis Complex, TSC)이라는 신경계 유전 질환에서 나타나는 혈뇌장벽(Blood-Brain Barrier, BBB)의 기능 이상을 환자 유래 세포 기반의 신경혈관 유닛 모델에서 재현하고, 이를 회복시키기 위한 방안을 제시합니다. TSC는 주로 TSC1 또는 TSC2 유전자의 변이로 발생하며, mTOR 경로의 이상 활성화를 통해 다양한 신경 증상을 유발합니다. 본 논문에서는 인간 유도만능줄기세포(human iPSC)를 활용해 BBB를 구성하는 세포들(BMEC, astrocytes, neurons)을 생성하고, 이를 마이크로플루이딕 기술을 활용한 장기칩 형태의 ‘신경혈관 유닛(NVU)’에 재구성하였습니다. 이 NVU 모델은 TSC2 변이 세포를 통해 BBB의 투과성이 증가되는 현상을 보여주며, 정상 성상세포(astocytes)의 대체 또는 mTOR 억제제인 라파마이신(rapamycin)으로 이 기능을 회복시킬 수 있음을 보여주었습니다. 이 연구는 질환 특이적 인간 모델을 활용한 BBB 연구의 가능성을 입증하고, 향후 치료 전략 개발에 실질적인 기초 자료를 제공합니다.

연구 배경 및 중요성

결절성 경화증은 다양한 장기에 양성 종양을 유발하는 유전 질환이며, 특히 중추신경계의 침범으로 인해 간질, 자폐증, 인지 장애 등 중대한 신경학적 증상을 동반합니다. 기존의 동물 모델에서는 이러한 TSC의 병태 생리를 일정 부분 설명할 수 있으나, 인간과 동물 간의 종 차이와 복잡한 유전자 조작의 한계로 인해 인간에서의 BBB 기능 이상과 세포 간 상호작용을 분석하는 데 제약이 있었습니다. 따라서 본 연구는 인간 iPSC 기반의 질환 모델을 통해 보다 실제 환자에 가까운 신경혈관 환경을 재현하고자 하였습니다.

연구 목적 및 배경

본 연구는 다음과 같은 핵심 질문을 해결하기 위해 수행되었습니다: (1) TSC2 이형접합 변이가 BBB 기능에 미치는 영향은 무엇인가?, (2) BBB 기능 이상은 특정 세포 유형의 이상에서 기인하는가?, (3) 라파마이신과 같은 치료제가 BBB 이상을 회복시킬 수 있는가? 이를 위해 다양한 유래의 iPSC를 기반으로 BMEC, astrocyte, neuron을 분화시켜 NVU를 구축하고, 세포 조합 및 약물 처리에 따른 BBB 기능의 변화를 분석하였습니다.

연구 방법

환자 유래 iPSC에서 BMEC, 성상세포, 신경세포 분화
마이크로플루이딕 칩 기반의 NVU 모델 구축
Transwell 및 NVU에서의 BBB 투과성 측정
TEER(Transendothelial Electrical Resistance) 분석
라파마이신 처리 후 BBB 기능 비교
대사체 분석 및 RNA 시퀀싱

연구팀은 다양한 iPSC 라인(정상 및 TSC2 변이 포함)에서 BMEC, astrocytes, neurons를 분화시켰으며, 이를 NVU 칩에 서로 다른 조합으로 탑재하였습니다. BBB 기능은 형광 디스트란 투과 실험과 TEER 측정을 통해 평가하였고, NVU 내 세포 유형 교체 실험과 라파마이신 처리 후 BBB 기능 변화를 정량화하였습니다. 대사체학 분석과 RNA 시퀀싱을 통해 유전자 및 대사 경로의 차이도 함께 확인하였습니다.

주요 발견 및 결과

TSC2 이형접합 변이를 가진 iPSC에서 유래한 NVU는 정상보다 높은 BBB 투과성을 보였습니다. 이 기능 이상은 정상 astrocyte로 교체하거나, mTOR 억제제인 라파마이신을 처리함으로써 회복될 수 있었습니다. 특히 astrocyte의 역할이 핵심적임을 다양한 세포 조합 실험을 통해 증명하였고, 이는 종래의 동물 모델 연구보다 더 섬세한 인간 질환 기전을 보여줍니다.

실험 결과 요약

실험 조건	BBB 투과성 결과	의미
TSC2 변이 BMEC 단일층 (Transwell)	투과성 증가 경향, 통계적 유의성 없음	단일세포 환경에서의 효과 제한적
TSC2 변이 NVU (BMEC, astrocyte, neuron)	투과성 유의하게 증가	복합 세포 환경에서의 기능 저하 뚜렷
TSC2 변이 NVU + 정상 astrocyte	정상 수준으로 투과성 회복	astrocyte의 회복 효과 확인
TSC2 변이 NVU + 라파마이신	투과성 회복	약물 치료 가능성 제시

이러한 실험 결과는 astrocyte가 TSC 관련 BBB 기능 저하의 중심적 역할을 하며, 치료 타겟으로서의 가능성을 시사합니다.

한계점 및 향후 연구 방향

본 연구는 세포 기반의 in vitro 모델을 통해 수행되었기 때문에 in vivo 환경과의 완전한 일치를 보장할 수는 없습니다. 또한 mTOR 경로의 활성화 여부에 대해 protein 수준에서 직접적인 확인은 어려웠으며, 향후에는 astrocyte-BMEC 간의 신호 교차 메커니즘에 대한 정밀한 규명이 필요합니다. 더불어 다양한 유전적 배경을 가진 환자 iPSC에 대한 반복 실험을 통해 일반화 가능성을 확보해야 합니다.

결론

이 연구는 TSC2 변이를 가진 환자 유래 세포를 이용하여 BBB 기능의 저하를 인간 세포 기반의 NVU 모델에서 성공적으로 재현하였고, astrocyte의 교체 또는 라파마이신을 통한 기능 회복이 가능함을 입증하였습니다. 이는 TSC의 신경학적 증상에 BBB 기능 이상이 기여할 수 있음을 시사하며, astrocyte 중심의 새로운 치료 전략 개발에 기반을 제공합니다.

개인적인 생각

이 논문은 단순히 TSC의 병리적 특징을 기술하는 데 그치지 않고, 인간 세포 기반의 정밀한 모델을 통해 세포 간 상호작용의 결과로 나타나는 기능적 이상을 체계적으로 분석한 점에서 큰 의미를 갖습니다. 특히 astrocyte의 역할을 독립적으로 검증하고, 이를 통해 치료적 개입의 가능성을 실험적으로 제시한 부분은 임상적 전환연구(translational research)로서 매우 모범적인 사례입니다. 또한 기존의 동물 모델로는 재현이 어려운 인간 세포 특이적 현상을 다룰 수 있다는 점에서 iPSC 기반 연구의 장점을 잘 활용한 연구로 평가됩니다. 후속 연구에서는 환자별 맞춤 치료전략으로의 연결 가능성과, NVU 모델을 활용한 약물 스크리닝 플랫폼 개발 등도 기대해볼 수 있겠습니다.

자주 묻는 질문(QnA)

Q: 이 연구에 사용된 세포는 어떻게 만들어졌나요?
A: 환자의 피부에서 유도된 iPSC를 통해 분화시킨 BMEC, astrocyte, neuron을 이용하였습니다.
Q: TSC2 변이가 실제로 BBB 기능을 저하시키나요?
A: 네, NVU 모델에서 TSC2 변이를 가진 세포는 BBB 투과성이 증가되는 것이 관찰되었습니다.
Q: 성상세포가 왜 중요한가요?
A: 성상세포를 정상 세포로 교체했을 때 BBB 기능이 회복되어, 핵심적인 조절자로 밝혀졌습니다.
Q: 라파마이신이 어떤 역할을 하나요?
A: mTOR 경로를 억제하여 BBB의 투과성을 회복시키는 역할을 했습니다.
Q: 이 모델이 실제 임상에 적용될 수 있나요?
A: 직접적인 임상 적용은 어렵지만, 약물 개발 및 질환 메커니즘 연구에는 매우 유용합니다.
Q: 이 연구의 가장 큰 장점은 무엇인가요?
A: 인간 환자 유래 세포를 사용해 실제 환자의 BBB 상태를 모사할 수 있다는 점입니다.

용어 설명

혈뇌장벽(BBB): 뇌와 혈액 사이의 선택적 투과 장벽으로, 뇌를 유해물질로부터 보호합니다.
TSC(Tuberous Sclerosis Complex): TSC1 또는 TSC2 유전자 변이로 발생하는 유전 질환입니다.
iPSC(Induced Pluripotent Stem Cell): 성체세포를 역분화시켜 만든 줄기세포로, 다양한 세포로 분화 가능성이 있습니다.
Astrocyte(성상세포): 뇌에서 신경세포를 지지하고 BBB를 형성하는 중요한 세포입니다.
BMEC: Brain Microvascular Endothelial Cell로, BBB를 구성하는 주요 내피세포입니다.
mTOR: 세포 성장과 대사 조절에 관여하는 단백질 복합체입니다.
Rapamycin: mTOR 경로를 억제하는 약물로, TSC 치료에 사용됩니다.
TEER: 세포층의 전기저항을 측정하여 장벽의 밀도를 평가하는 지표입니다.
NVU: Neurovascular Unit로, BMEC, astrocyte, neuron이 함께 구성하는 뇌혈관 기능 단위입니다.
Transwell: 세포 간 투과성을 측정하는 데 사용되는 2차원적인 세포 배양 도구입니다.