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연구

시스템생물학 이용 세계 최초 알츠하이머성 치매 환자 맞춤형 치료 효능 예측 기술 개발​
조회수 : 48330 등록일 : 2021-01-13 작성자 : 홍보실

(왼쪽부터) 바이오및뇌공학과 조광현 교수, 장소영 박사과정

< (왼쪽부터) 바이오및뇌공학과 조광현 교수, 장소영 박사과정 >

우리 대학 바이오및뇌공학과 조광현 교수 연구팀 (장소영 박사과정(1저자), 강의룡 박사과정, 장홍준 박사과정)은 서울대학교 의과대학 묵인희 교수 연구팀과 공동연구를 통해 시스템생물학*알츠하이머 환자 유래 뇌 오가노이드** 모델의 융합으로 환자 맞춤형 약물 효능평가 플랫폼(Drug-screening platform)을 세계 최초로 개발했다고 13일 밝혔다.

시스템생물학: IT의 수학모델링 및 컴퓨터시뮬레이션과 BT의 분자세포생물학 실험을 융합하여 복잡한 생명현상을 규명하고 설명하는 연구 패러다임

*뇌 오가노이드: 환자의 역분화 줄기세포(iPSC) 유래 인공 미니 뇌

알츠하이머병은 치매의 약 70%를 차지하는 대표적 치매 질환이나 현재까지 발병 원인이 불명확하며, 근본적인 치료제도 없는 인류가 극복하지 못한 질병 중 하나다.

알츠하이머병 치료제 개발 난제 중 하나는 실제 살아있는 환자의 뇌를 직접 실험 샘플로 사용할 수 없다는 것이었다. 이는 수많은 치료제 후보군의 약물 효능을 정확히 평가하기가 어려워 치료제 개발의 걸림돌로 작용해왔다.

조광현 교수 공동 연구팀은 실제 치매환자에서 유래한 뇌 오가노이드 기반으로 생물학적 메커니즘에 대한 수학 모델링을 융합하여 약물효능 예측이 가능한 플랫폼을 세계 최초로 개발했다환자 혈액으로부터 역분화줄기세포(Induced-pluripotent stem cell)*를 구축 후 이를 이용하여 3D 뇌 오가노이드를 제작해 실제 환자의 뇌와 유사한 환경 구축을 통해 실험적 한계를 극복했다.

* 역분화줄기세포: 다능성이 없는 혈액 면역세포에 역분화를 일으키는 4가지 특정 유전자를 도입하여 배아 줄기세포와 같이 모든 종류의 세포로 분화할 수 있는 성질(다능성)을 가진 줄기세포

또한, 시스템생물학 기반 수학 모델링 기법으로 알츠하이머병의 신경세포 특이적 네트워크망을 구축하고, 이를 실제 알츠하이머병 환자 및 정상군 유래 뇌 오가노이드를 통하여 신경세포 컴퓨터 모델의 실효성을 검증했다. 

이 연구결과는 알츠하이머병의 시스템생물학 기반 신경세포 컴퓨터 모델을 실제 환자 유래 뇌 오가노이드로 검증한 세계 최초의 사례이다. 이는 환자 맞춤형 치료(Precision medicine)의 불모지로 여겨졌던 뇌 질환분야에서도 알츠하이머병 환자의 유전형에 따른 최적의 약물 효능 예측이 가능하게 됨을 의미하며 향후 약물 타겟 발굴에 기여할 것으로 기대된다.

그림 1. 이번 연구의 전체 흐름을 보여주는 모식도

< 그림 1. 이번 연구의 전체 흐름을 보여주는 모식도 >

그림 2. 이번 연구에 사용된 뇌 오가노이드의 3D 이미징 사진 및 알츠하이머병의 특성 확인 결과

< 그림 2. 이번 연구에 사용된 뇌 오가노이드의 3D 이미징 사진 및 알츠하이머병의 특성 확인 결과 >

그림 3. 알츠하이머병의 위험 유전자인 ApoE4를 타겟하는 환자 맞춤형 시스템생물학 기반 네트워크 컴퓨터 모델 및 약물 타겟 선정과정

< 그림 3. 알츠하이머병의 위험 유전자인 ApoE4를 타겟하는 환자 맞춤형 시스템생물학 기반 네트워크 컴퓨터 모델 및 약물 타겟 선정과정 >

그림 4. 개발된 수학모델의 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 선별된 약물의 검증 과정

< 그림 4. 개발된 수학모델의 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 선별된 약물의 검증 과정 >

조광현 교수는 이번에 개발한 시스템생물학 기반 알츠하이머성 치매환자 약물 효능평가 플랫폼을 통해 향후 치매 치료제 개발 경쟁에서 우리나라가 국가적 우위를 선점할 수 있을 것으로 기대한고 밝혔다. 

이번 연구는 보건복지부 한국보건산업진흥원의 국가치매극복기술개발 사업 및 한국연구재단의 중견연구자지원사업으로 수행됐으며, 연구성과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)2021112일자 논문으로 게재됐다.

(https://www.nature.com/articles/s41467-020-20440-5)

 

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