성균관대, 인간 ‘장-뇌-혈관’ 연결 3차원 생체 칩 개발…“치매 비밀 풀 열쇠 마련”

▲성균관대 조한상 교수팀 연구 설명 그림. 사진=성균관대학교

국내 연구진이 인간 장과 뇌, 혈관을 하나로 연결하는 3차원 생체 칩을 통해 치매 등 신경퇴행성 질환 가설인 '장-뇌 축' 이론을 실험적으로 규명했다.

13일 성균관대학교에 따르면, 동대학 양자생명물리과학원(IQB) 및 생명물리학과 조한상 교수 연구팀은 하버드 의과대학 및 UC 버클리의 루크 리 교수팀과 공동으로 인간의 장, 혈관, 뇌를 하나로 연결한 3차원 미세생체모사 플랫폼(hGBV)을 개발했다.

이를 통해 연구팀은 장과 뇌 사이의 양방향 신호 전달이 어떻게 신경염증과 치매 같은 신경퇴행성 질환으로 이어지는지 그 경로를 실험적으로 규명하는 데 성공했다.

▲교신저자 성균관대 조한상 교수(왼쪽), 제1저자 성균관대 민뜨란 연구원

최근 과학계에서는 장내 미생물과 염증 상태가 뇌 기능에 영향을 미친다는 '장-뇌 축' 이론이 주목받고 있다. 그러나 기존 실험 모델은 장과 뇌 사이의 복잡한 상호작용과 그 사이를 잇는 혈관 시스템을 충분히 구현하지 못해 실제 질병이 발생하는 과정을 정밀하게 관찰하는 데 한계가 있었다.

이러한 문제를 해결하기 위해 연구팀은 미세한 관으로 장, 혈관, 뇌 구획을 연결한 3차원 플랫폼을 구축했다. 이 시스템은 인간의 장 상피 세포, 미세혈관 구조, 그리고 신경세포와 성상세포가 포함된 뇌 조직을 통합하여 실제 인체의 순환 시스템을 모사했다.

연구팀은 이 플랫폼을 이용해 두 가지 핵심 경로를 확인했다. 먼저 '장→뇌' 경로에서는 장에 세균 독소(LPS 등)를 주입했을 때, 장벽과 혈관벽이 차례로 무너지며 독소가 뇌로 침투하는 것을 확인했다.

이 과정에서 뇌 조직 내 신경염증이 발생하고, 알츠하이머 치매의 주요 원인 중 하나인 '타우(p-tau) 단백질'이 축적되는 현상을 재현했다.

또한 '뇌→장' 경로에서 뇌 구획에 알츠하이머나 파킨슨병 관련 자극을 주었을 때, 뇌의 염증 신호가 역으로 혈관을 타고 내려가 장벽 기능을 망가뜨리는 '피드백' 현상을 발견했다.

이는 뇌 질환이 단순히 뇌만의 문제가 아니라 전신 장벽(혈관·장)의 건강을 동시에 악화시킬 수 있음을 보여주는 중요한 증거라는 게 연구팀 측 설명이다.

조한상 성균관대 교수는 “이번 연구 성과는 장-뇌-혈관 축을 표적하는 신경 및 위장 질환 연구에서 치료 전략을 평가할 수 있는 강력한 전임상 도구가 될 것"이라며 “동물 실험을 대체하거나 보완하여 신약 개발의 효율성을 크게 높일 수 있을 것으로 기대한다"고 밝혔다.

본 연구 결과는 세계적인 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'에 지난 7일 온라인 게재되었으며, 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF), 치매극복연구개발사업(KDRC) 및 중소벤처기업부 등의 지원을 받아 수행됐다.

박주성 기자 wn107@ekn.kr