인간 만능 줄기 세포 유래 뇌 조립체를 사용하여 간질을 모델링하기 위한 다중 전극 어레이 플랫폼
2024년 9월 27일
이 프로토콜은 in vitro에서 간질을 모델링하기 위해 다중 전극 어레이에 dorsal-ventral fused assembloids를 안정적으로 도금하는 것을 목표로 합니다.
지난 수십 년 동안 유전자 발견이 폭발적으로 증가하면서 간질을 유발하거나 간질과 관련된 수백 개의 유전자가 확인되었습니다. 그러나 병원성 메커니즘은 잘 연구되지 않았습니다. 우리 연구실은 유전적 변화가 어떻게 초기 뇌 발달에 영향을 미치고 뇌 기형과 만성 발작을 특징으로 하는 쇠약해지는 질병인 간질을 유발하는지 연구합니다.
유전적 간질은 일반적으로 생쥐, 제브라피시, 초파리, 토끼 등의 동물 모델을 사용하여 연구되어 왔습니다. 인간 줄기 세포는 줄기 세포를 신경 조직으로 분화하는 기술이 발전함에 따라 최근에는 유전적 간질을 모델링하는 데 사용되었습니다. 뇌 오가노이드의 출현으로 뇌 발달의 구조적 측면을 요약할 수 있습니다.
전기생리학적 활성을 측정하고 뇌 오가노이드 및 아셈블로이드에서 간질 관련 활성의 바이오마커를 결정하는 것은 어려운 일입니다. 부분적으로, 이 기술은 뇌 오가노이드가 온전한 동물처럼 발작을 일으킬 수 없기 때문에 제한적입니다. 그럼에도 불구하고, 이 in vitro 모델과 약물 치료에 대한 반응에서 전기생리학적 차이를 찾는 것은 유전적 간질의 병리학적 메커니즘과 치료 반응을 결정하는 데 도움이 될 수 있습니다.
전기생리학적 활성은 기존의 패치 클라이밍 기록, 전극을 사용한 국소 현장 기록, 칼슘 및 메모리 전압 이미징과 같은 광학 기술을 사용하여 평가할 수 있습니다. 다중 전극 어레이 기록을 사용하면 시간이 지남에 따라 두 개의 녹음을 시작하고 조립체의 여러 위치에서 동시에 기록할 수 있는 이점이 있습니다.
개요
본 프로토콜은 인 비트로(in vitro)에서 뇌전증을 모델링하기 위해 배-복측 융합 어셈블로이드(dorsal-ventral fused assembloids)를 다중 전극 어레이(multi-electrode arrays, MEAs) 상에 안정적으로 플레이팅하는 방법을 상세히 설명합니다. 이는 인간 줄기세포 유래 뇌 오가노이드를 이용해 전기생리학적 활성을 측정하고 유전성 뇌전증의 병리적 메커니즘을 이해하는 데 따르는 어려움을 해결합니다.
주요 연구 구성 요소
과학 분야
- 신경과학
- 뇌전증 연구
- 신경 발달
배경
- 유전자 발견을 통해 뇌전증과 관련된 수많은 유전자가 확인되었습니다.
- 모델링 기술의 발전에도 불구하고 병원성 기전에 대한 연구는 여전히 부족한 실정입니다.
- 인간 줄기세포와 뇌 오가노이드는 유전성 뇌전증 연구를 위한 모델로 부상했습니다.
- 오가노이드 내 뉴런 활동 측정은 온전한 동물 모델에 비해 제한적입니다.
연구 목적
- MEA 상에 어셈블로이드를 안정적으로 플레이팅하기 위한 프로토콜을 수립한다.
- in vitro 모델에서 관찰되는 전기생리학적 차이를 조사한다.
- 유전성 뇌전증 모델링에서 약물 처리에 따른 반응을 평가한다.
사용된 방법
- 전기생리학적 기록을 위한 다중 전극 어레이(MEA)의 활용.
- 인간 줄기세포 유래 배측-복측 융합 어셈블로이드(assembloid)를 이용한 모델링.
- 주요 단계에는 MEA 표면 전처리, 웰 준비 및 어셈블로이드 배치가 포함됩니다.
- 네트워크 활동 평가를 통한 시간에 따른 신경세포 성숙 관찰.
주요 결과
- 뉴런이 성숙함에 따라 네트워크 버스팅 지속 시간이 증가하는 것이 관찰되었습니다.
- 세포 및 네트워크 활동의 변화를 시간에 따라 모니터링하였으며, 이는 결과적으로 125일째에 사라졌습니다.
- 약물 반응을 평가함으로써 뇌전증의 병리적 기전을 밝히는 데 도움이 될 수 있습니다.
결론
- 본 연구는 MEA 상의 어셈블로이드를 사용하여 인비트로(in vitro)에서 뇌전증을 모델링하는 강력한 방법을 제공합니다.
- 이러한 발견을 통해 유전성 뇌전증의 병리학 및 치료 반응에 대한 상세한 조사가 가능해집니다.
- 이를 통해 얻은 통찰은 뇌전증과 관련된 신경 메커니즘에 대한 이해를 증진시킬 수 있습니다.
자주 묻는 질문
산업 관련성 요약
다중전극 어레이(MEA)에 배양된 인간 다능성 줄기세포 유래 뇌 어셈블로이드는 뇌전증과 관련된 신경망 활동의 비파괴적 장기 측정을 가능하게 합니다. 이 플랫폼은 기능적 분석 및 약물 반응 프로파일링을 위한 확장 가능한 인간 특이적 시스템을 제공함으로써, 유전적 발견과 기전적 이해 사이의 중개 연구 격차를 해소합니다. 이러한 접근 방식은 초기 단계의 타겟 검증에 대한 예측 신뢰도를 높이며, 신경 치료제 개발을 위한 위험 조정 포트폴리오 결정에 유용한 정보를 제공합니다.
바이오제약 R&D의 전략적 응용
초기 발견 및 표적 검증
- 인간 유래 신경 회로를 사용하여 뇌전증과 관련된 유전자 변이의 기능적 평가를 가능하게 합니다.
- 네트워크 수준의 표현형과 비정상적인 활동 패턴을 밝힘으로써 기전적 위험 감소(de-risking)를 지원합니다.
- 흥분성 및 억제성 뉴런 통합에 대한 가설 기반 조사를 촉진합니다.
- 후보 중재법이 질병 관련 네트워크 동역학에 미치는 영향을 평가하기 위한 플랫폼을 제공합니다.
스크리닝 및 분석법 개발
- 장기간에 걸친 네트워크 활동을 정량화하기 위한 견고한 종단적 전기생리학적 분석법을 제공합니다.
- 여러 어셈블로이드에 걸쳐 전위, 스파이크 및 버스팅 패턴의 재현 가능한 측정을 지원합니다.
- 후속 화합물 스크리닝을 위한 복잡한 3D 신경 시스템의 표준화된 준비를 가능하게 합니다.
- 약물 반응의 비교 분석을 위해 확장 가능한 다중 데이터 수집을 용이하게 합니다.
중개 및 전임상 연구
- 뇌전증 연구를 위해 in vitro 네트워크 표현형을 질환 관련 바이오마커와 정렬합니다.
- 유전자 발견부터 인간 특이적 맥락에서의 전임상 검증까지 연속성을 제공합니다.
- 기능적 판독값을 기반으로 신경 치료 후보 물질의 위험 조정된 발전을 지원합니다.
- 제어 가능하고 확장 가능한 시스템 내에서 치료적 개입의 기전적 평가를 가능하게 합니다.
파이프라인 및 워크플로우 통합
이 MEA 기반 어셈블로이드 플랫폼은 뇌전증 모델링에서 기능적 타겟 검증, 어세이 개발 및 중개 바이오마커 정렬을 가능하게 함으로써 초기 발견과 전임상 연구의 가교 역할을 합니다.
- 발견 생물학: 유전적 또는 약리학적 섭동의 네트워크 수준 효과를 정량화하여 가설 검증 및 메커니즘적 리스크 감소를 지원합니다.
- 스크리닝: 화합물 평가 및 분석 표준화에 적합한 재현 가능하고 정량적인 전기생리학적 결과물을 제공합니다.
- 분석: 비교 분석을 위해 네트워크 버스팅, 성숙도 및 약물 반응의 종단적 측정을 가능하게 합니다.
- 중개 연구: in vitro 표현형을 질환 메커니즘과 일치시켜 바이오마커 기반의 전임상 의사 결정을 지원합니다.
- 기업적 재사용: 다양한 뇌 영역 및 신경계 질환 모델링을 위해 재사용 및 조정 가능한 플랫폼을 제공합니다.
운영 및 기업 영향
- 과학적 가치: 타겟 검증의 예측 신뢰도를 높이고 뇌전증 연구의 기전적 모호성을 줄입니다.
- 운영적 가치: 복잡한 신경 분석법을 표준화하여 R&D 팀 간의 재현성과 확장성을 확보합니다.
- 전략적 가치: 파이프라인 초기 단계에서 기능적 인체 데이터를 제공함으로써 go/no-go 의사결정과 자본 효율성을 개선합니다.
- 포트폴리오 영향: 강력한 기능적 근거를 바탕으로 신경치료 자산의 위험 조정 우선순위 설정 및 추진을 가능하게 합니다.
실행 시 고려 사항
- 줄기세포 분화, 오가노이드 배양 및 전기생리학적 분석 설정에 관한 전문 지식이 필요합니다.
- 다중 전극 어레이(multi-electrode array) 장비 및 고함량 데이터 수집을 위한 분석 인프라 접근이 필요합니다.
- 플레이팅, 유지 관리 및 데이터 분석 프로토콜의 팀 간 표준화가 필수적입니다.
- 다양한 뇌 영역 특이적 오가노이드에 적용 가능하지만, 조직 유형에 따라 최적화가 필요할 수 있습니다.
- 신뢰할 수 있는 종단적 연구를 위해서는 장기 배양 및 기록 안정성이 매우 중요합니다.
