한국보건산업진흥원은 서울대학교 의과대학 생화학교실과 한국과학기술원(KAIST) 바이오및뇌공학과 공동연구팀이 “알츠하이머 환자 유래 뇌 오가노이드 모델과 시스템생물학의 융합을 통하여 환자 맞춤형 약물 효능평가 플랫폼(Drug-screening platform)을 세계 최초로 개발했다”고 밝혔다.

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.

본 연구팀은 실제 치매환자에서 유래한 뇌 오가노이드 기반으로 생물학적 메커니즘에 대한 수학 모델링을 융합하여 약물효능 예측이 가능한 플랫폼을 세계 최초로 개발하였다.

▲ 환자 맞춤형 약물 효능평가 플랫폼(Drug-screening platform) 모식도

환자 혈액으로부터 역분화줄기세포(Induced-pluripotent stem cell) 구축 후 이를 이용하여 3D 뇌 오가노이드 제작하여 실제 환자의 뇌와 유사한 환경 구축을 통해 실험적 한계를 극복하였다.

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 검증하였다.

본 연구결과는 알츠하이머병의 시스템생물학 기반 신경세포 컴퓨터 모델을 실제 환자 유래 뇌 오가노이드로 검증한 세계 최초의 사례이다. 이를 통해 환자 맞춤형 치료(Precision medicine)의 불모지로 여겨졌던 뇌 질환분야에서도 알츠하이머병 환자의 유전형에 따른 최적의 약물 타겟 발굴에 기여할 것으로 기대된다.

묵인희 교수는 “본 시스템생물학 플랫폼을 통해 알츠하이머병 환자의 유전형에 따라 최적의 약물 발굴이 이루어진다면 치매 치료제 개발 경쟁에서 우리나라가 국가적 우위를 선점할 수 있을 것으로 기대한다”고 전했다.

이번 연구는 보건복지부 및 한국보건산업진흥원에서 지원하는 국가치매극복기술개발 사업으로 수행되었으며, 생물·물리·화학 등 자연과학 분야 최고 수준의 국제학술지인 ‘Nature Communications’ 2021년 1월 12일자 논문으로 게재되었다.