실험실에서 인간 척추를 성공적으로 성장시킨다.

 

화학 신호의 신중하게 조정된 시퀀스를 기반으로 하는 이 모델은 신경 및 뼈 줄기 세포가 포함된 인간 몸통의 초기 단계를 모방한다. 이 획기적인 발견은 척추 선천적 결함과 추간판 상태에 대한 잠재적 통찰력을 제공하여 인간 발달 장애 연구의 새로운 시대를 열었다.

 

인간 발달 연구의 획기적인 진전

프랜시스 크릭 연구소의 과학자들은 처음으로 척삭을 포함하는 인간 줄기 세포 모델을 만들었다. 척삭은 발달하는 배아의 조직으로, 척추와 신경계(몸통)를 형성하는 세포를 안내한다.

네이쳐에 발표된 이 연구는 초기 발달 중에 인체가 어떻게 형성되는지 이해하는 데 있어 중요한 진전을 보여준다.

 

막대 모양의 조직인 척삭은 발달하는 신체에서 중요한 구조적 가이드 역할을 한다. 모든 척추동물의 특징이며 배아가 성장함에 따라 조직을 구성하는 데 중요한 역할을 한다.

 

척삭은 복잡성 때문에 실험실에서 만든 인간 몸통 발달 모델에는 눈에 띄게 없었기 때문에 이 획기적인 진전은 발달 생물학을 발전시키는 데 특히 중요하다.

 

몸통 기관체 조각을 매우 자세히 보여주는 전자 주사 현미경 이미지. 출처: Tiago Rito, Marie-Charlotte Domart

 

노토코드(Notochord)형성 디코딩

이 연구에서 과학자들은 먼저 닭 배아를 분석하여 노토코드가 자연적으로 어떻게 형성되는지 정확히 이해했다. 이를 생쥐와 원숭이 배아의 기존에 발표된 정보와 비교하여 노토코드 조직을 만드는 데 필요한 분자 신호의 타이밍과 순서를 확립했다.

 

이 청사진을 사용하여 정확한 화학 신호 순서를 생성하고 이를 사용하여 인간 줄기 세포가 노토코드를 형성하도록 유도했다.

 

몸통 기관체 조각은 테이프로 고정된다. 이 샘플은 이후 얇은 백금 층으로 코팅된 후 전자 현미경을 사용하여 이미지화된다. 출처: Tiago Rito, Marie-Charlotte Domart

 

실험실에서 키운 인간 몸통 모델의 발전

줄기세포는 미니어처 '몸통과 같은' 구조를 형성했는데, 이는 자발적으로 길이가 1~2mm로 늘어났다. 여기에는 발달 중인 신경 조직과 뼈 줄기 세포가 포함되어 있었으며, 인간 배아의 발달을 반영하는 패턴으로 배열되었다. 이는 척삭이 세포가 적절한 시기에 적절한 장소에서 적절한 유형의 조직이 되도록 격려하고 있음을 시사했다.

 

과학자들은 이 연구가 척추와 척수에 영향을 미치는 선천적 결함을 연구하는 데 도움이 될 수 있다고 믿는다. 또한 척삭에서 발달하는 척추 사이의 충격 흡수 쿠션인 추간판에 영향을 미치는 상태에 대한 통찰력을 제공할 수도 있다. 이러한 디스크는 나이가 들면서 퇴화될 때 허리 통증을 유발할 수 있다.

 

인간 발달을 이해하기 위한 의미

발달 역학 연구실의 그룹 리더이자 이 연구의 수석 저자인 제임스 브리스코는 "척추는 ​​발달하는 배아의 GPS 역할을 하여 신체의 주축을 확립하고 척추와 신경계의 형성을 안내한다. 지금까지 실험실에서 이 중요한 조직을 생성하는 것이 어려웠기 때문에 인간의 발달과 장애를 연구하는 능력이 제한되었다. 이제 작동하는 모델을 만들었으므로 지금까지 어둠 속에 있었던 발달 조건을 연구할 수 있는 문이 열렸다."라고 말했다.

 

몸통 기관체 표면의 현미경 이미지(오른쪽)와 녹색으로 척삭을 표시하고, 외부 신경 조직(보라색으로 골격화)으로 둘러싼 컴퓨터 생성 이미지(왼쪽). 출처: Tiago Rito

 

개발 역학 연구실의 박사후 연구원이자 이 연구의 제1 저자인 티아고 리토는 "노토코드를 생성하는 정확한 화학 신호를 찾는 것은 올바른 레시피를 찾는 것과 같았다. 이전에 실험실에서 노토코드를 키우려는 시도는 재료를 추가하는 데 필요한 타이밍을 이해하지 못했기 때문에 실패했을 수 있다.

 

"특히 흥미로운 점은 실험실에서 키운 구조의 척삭이 발달하는 배아에서와 비슷하게 기능하는 것으로 보인다는 것이다. 주변 조직을 구성하는 데 도움이 되는 화학 신호를 보내는데, 전형적인 발달 중에도 마찬가지이다."

인간 몸통 기관체의 단면. 척삭(녹색)은 신경 조직(파란색)이 패턴화(자홍색)되도록 한다. 세포핵은 흰색으로 염색되었다. 출처: Tiago Rito

 

참고사항

이러한 구조는 소수의 세포 유형만 포함하는 신체의 단순화된 모델이다. 이들은 며칠 동안만 발달하며 배아를 형성할 수 없다. 이들의 주요 목적은 직접 조사하기 어렵거나 불가능한 인간 발달의 측면을 연구하는 것이다.