KAIST, 6배 정밀 '3D 뇌 모사 플랫폼' 구현...약물 스크리닝 활용 기대

한국과학기술원(KAIST·총장 이광형) 연구진이 뇌처럼 층을 이루는 신경세포 구조를 3D 프린팅 기술로 구현하고, 그 안에서 신경세포 활동까지 정밀 측정할 수 있는 통합 플랫폼을 개발했다.

KAIST는 박제균·남윤기 바이오 및 뇌공학과 교수팀이 뇌 조직과 특성이 유사한 저점도 천연 하이드로겔을 이용, 이같은 성과를 거뒀다고 16일 밝혔다.

뇌 구조 모방 신경 네트워크 모델 구축과 기능적 측정 기술이 통합된 플랫폼

기존 바이오프린팅 기술은 구조적 안정성을 위해 고점도 바이오잉크를 사용하지만, 이는 신경세포 증식과 신경돌기 성장을 제한한다. 신경세포 친화적인 저점도 하이드로겔은 정밀 패턴 형성이 어려워 구조 안정성과 생물학적 기능 사이에 상충 관계가 있었다.

연구팀은 묽은 젤로도 정밀한 뇌 구조를 만들고 층마다 정확히 정렬하며, 신경세포 활동까지 동시에 관찰할 수 있는 3대 핵심기술을 결합해 정교하고 안정적인 뇌 모사 플랫폼을 완성했다.

연구진은 묽은 젤(하이드로겔)이 흐르지 않도록 스테인리스 철망(마이크로메시) 위에 붙게 만드는 '모세관 고정 효과' 기술로 기존보다 6배 더 정밀하게 해상도 500마이크로미터(㎛) 이하 뇌 구조를 재현했다. 또 프린팅된 층들이 정확히 쌓이도록 맞추는 원통형 설계인 '3D 프린팅 정렬기'로 다층 구조체의 정밀한 조립과 미세 전극 칩의 안정적 결합을 보장했다.

여기에 더해 아래쪽은 전기신호를 측정하고, 위쪽은 빛(칼슘 이미징)으로 동시에 세포 활동을 관찰하는 '이중 모드 분석 시스템' 기술로 층간 연결이 실제 작동하는지를 여러 방식으로 동시에 확인할 수 있게 했다.

적층형 바이오프린팅 기술과 미세전극 칩 통합 과정

연구팀은 뇌와 유사한 탄성 특성을 지닌 피브린 하이드로겔을 이용해 3층으로 구성된 미니 뇌 구조를 3D 프린팅으로 구현하고, 그 안에서 실제 신경세포들이 신호를 주고받는 과정을 실험으로 입증했다.

박제균 교수는 “기존 기술로 14일 이상은 신호 측정이 불가했던 것에 비해 27일 이상 안정적인 미세 전극 칩 인터페이스를 유지하면서 구조-기능 관계를 실시간 분석할 수 있어 신경질환 모델링, 뇌 기능 연구, 신경독성 평가 및 신경 보호 약물 스크리닝 등 다양한 뇌 연구 분야에 활용할 수 있을 것”이라고 말했다.

김수지, 윤동조 KAIST 바이오 및 뇌공학과 박사가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 '바이오센서스 앤 바이오일렉트로닉스'에 6월 11일 자 온라인판에 게재됐다.

김영준 기자 kyj85@etnews.com

[Copyright © 전자신문. 무단전재-재배포금지]