UNIST(총장 이용훈) 바이오메디컬공학과 박태은 교수 연구팀과 POSTECH(총장 김무환) 기계공학과 김동성 연구팀은 생체 기저막을 모사한 나노섬유 멤브레인을 활용한 기능성 혈액-뇌 장벽 모델을 개발했다.

혈액-뇌 장벽(blood-brain barrier; BBB)은 혈관내피세포와 그 주위를 둘러싸 지탱하는 기저막(basement membrane), 별아교세포, 그리고 혈관주위세포로 이루어진 생체 장벽으로 뇌 기능에 필수적인 물질만 출입을 허용하여 외부 물질의 침입으로부터 뇌를 보호하는 역할을 한다. 반면 이는 뇌 질환 약물의 통과까지 거의 완벽히 통제하는 금단의 문으로서 약물 전달에 큰 걸림돌이 돼왔다.

현재까지 뇌 질환 치료제 개발을 위해 이러한 장벽을 모사하는 많은 혈액-뇌 장벽 모델이 개발됐다. 하지만 생체의 복잡하고 정교한 기저막 모사의 어려움 때문에 주로 플라스틱(PETE, PC, PDMS) 소재의 다공성 막이 사용됐다. 이는 생체의 기저막과 물리적, 구조적으로 큰 차이를 가져 세포에 생체와 같은 환경을 제공해주지 못한다는 한계가 있었다.

그림1. 나노섬유 기반의 인공기저막을 활용한 기능성 혈액-뇌 장벽 모델의 구축

이를 위해 UNIST-POSTECH 공동연구팀은 생체내의 기저막을 모사하는 나노섬유 멤브레인(nanofiber-assisted ultra-thin ECM hydrogel-based engineered basement membrane; nEBM)을 개발했다. 개발된 인공기저막은 생체친화적인 소재인 실크피브로인(Silk fibroin)과 폴리카프로락톤(Polycaprolactone;PCL)으로 만들어진 수십~수백 나노미터 직경의 나노섬유 지지체와 콜라겐 등의 기저막 유래 하이드로젤로 구성됐다. 이는 혈액-뇌 장벽의 생체 기저막과 같은 얇은 박판의 3d 섬유구조를 가지며 플라스틱 다공성 막에 비해 백만배 낮은 수준의 기계적 강성을 가졌다.

연구팀은 개발된 나노섬유 멤브레인에 인간 줄기세포에서 유래한 혈관내피세포, 별아교세포와 혈관주위세포를 공배양하여 인체 혈액-뇌 장벽의 생체 장벽 기능이 모사된 체외 모델을 성공적으로 구축했다. 이는 기존의 플라스틱 소재 다공성 막을 사용한 모델에 비해 약 2배 이상의 높은 물리적 장벽을 갖춤과 동시에 혈액-뇌 장벽의 큰 기능중 하나인 BCRP, MRP 와 같은 약물 배출 단백질의 활성을 보였다. 연구팀은 세포가 나노섬유 멤브레인이 모사한 기저막의 물리적, 생화학적 자극에 반응하여 향상된 기능을 보임을 검증했다.

또한 한국인 사망원인 중 3위에 해당하는 뇌 혈관 질환인 뇌졸중 모델을 개발했다. 일시적으로 산소와 영양분의 공급을 제한함으로써 뇌졸중 환경을 모사했고 이를 통해 혈관의 장벽이 손상되고 혈류의 면역세포가 뇌로 이동하는 뇌졸중의 증상을 재현했다. 또한 뇌졸중 치료제을 투여하였을 때 혈액-뇌 장벽이 기능을 회복하는 양상을 제시했다.

공동 1저자인 최정원, 윤재승 연구원은 “이번에 개발된 나노섬유 멤브레인을 이용한 혈액-뇌 장벽 모델의 높은 기능성은 체외모델 개발에서의 기저막의 물리적, 생화학적 모사의 중요성을 시사한다”며 “이 모델은 뇌질환 관련 약물 개발 또는 평가에 활용할 뿐만 아니라 중추신경계 질환의 메커니즘 연구에 활용될 것으로 기대한다”고 밝혔다.

본 연구는 2022년 12월 23일 ‘바이오머터리얼즈 (Biomaterials)’ 저널에 온라인 게재됐다.