신경독성은 물론 뇌 질환 치료제의 효능과 안전성을 신속하게 판단할 수 있는 혁신적 플랫폼이 개발됐다.

국가독성과학연구소(소장 허정두, 이하 ‘KIT’)는 뇌 속 별 모양 세포인 성상세포의 염증 반응과 약물 효과를 실제 뇌 환경과 비슷한 3차원(3D) 조건에서 빠르게 측정할 수 있는 새로운 평가 플랫폼 ‘ARC-3D’를 개발했다고 15일 밝혔다.

 이번 연구결과는 바이오·의료 분야 국제학술지 Advanced Healthcare Materials(IF 9.6, 상위 10% 이내)에 게재되었으며, 저널 표지(Inside front cover)로도 선정됐다.​

▲(앞줄 왼쪽부터)박대의 국가독성AI데이터센터장,

우동호 글로벌약의바이오연구단장, 이유빈 선임연구원,

(뒷줄 왼쪽부터)류세영 연구생, 김예지 박사후연수자, 임혜원 연구생.

 ARC-3D(Astrocytic Reactive Calcium 3D microenvironment)는 뇌 환경을 모사한 3D 하이드로겔 안에 성상세포를 배양하고, 세포 안 칼슘(Ca²⁺) 신호 변화를 실시간으로 관찰해 신경염증과 독성, 그리고 치료제 효능을 초고속으로 판독하는 플랫폼이다.

기존에는 2차원(2D) 세포배양과 분자 분석을 이용해 염증을 평가해 왔으나 결과 확인까지 오래 걸리고, 초·분 단위로 나타나는 초기 기능 변화를 놓치기 쉽다는 한계가 있었다.

 이에 연구진은 젤라틴을 기반으로 한 바이오소재 GelMA로 3D 하이드로겔을 만들고, 성상세포가 실제 뇌처럼 기능하도록 최적 조건(3.5 wt%)을 확립했다. 이렇게 만들어진 플랫폼에 과산화수소로 산화 스트레스를 주자, 신경 손상 지표와 염증 물질이 증가해 뇌 손상 반응이 나타났다.

 연구진은 Ca²⁺ 이온 채널 변화를 이용해 초·분 단위로 신경독성을 빠르게 파악했다. 또한 IBS와의 협력으로 확보한 후보물질 KDS12025를 처리하여 Ca²⁺ 이상과 염증 반응이 완화되는 양상도 볼 수 있었다. 동물실험에서도 같은 효과를 확인함으로써, ARC-3D 플랫폼이 실제 생체 반응과 약물 효과를 정밀하게 평가할 수 있는 도구임을 입증했다.

 이번 연구를 수행한 KIT 글로벌의약바이오연구단 이유빈 선임연구원은 “ARC-3D는 신경독성 평가뿐 아니라 뇌 질환 치료제 후보물질의 효능과 안전성을 빠르게 판별할 수 있는 기반 기술로 활용될 수 있다”며, “앞으로 주요 이온으로 지표를 확장해 인체의 물질 수송과 독성 반응을 더욱 정밀하게 평가할 수 있을 것으로 기대한다.”고 말했다.

[그림1] ARC-3D 개요도

3D 성상세포 모델에서 산화 스트레스로 유발되는 칼슘 이상 및 염증 반응과 KDS12025의 완화 효과를 통합적으로 제시함