CBVdECM 소재 활용한 바이오잉크로 실제 BBB와 유사한 구조 구현
염증성 사이토카인 자극에 따라 VE-cadherin 분해와 염증 반응 재현
국내 연구진이 3D 바이오프린팅 기술로 ‘뇌혈관 장벽(Blood-Brain Barrier, BBB)’의 복잡한 구조를 정밀하게 반영한 모델을 구현해 신경퇴행성 뇌질환 연구의 새로운 전기를 마련했다.
포스텍(POSTECH) 장진아 교수와 서울대병원 백선하 교수 공동 연구팀은 ‘뇌혈관 특이적 탈세포화 세포외 기질(Cerebrovascular-specific Decellularized Extracellular Matrix, CBVdECM)’ 소재를 활용한 바이오잉크로 BBB의 3D 구조 모델을 구현하는 데 처음 성공했다고 발표했다.
BBB는 밀착 연접해 있는 뇌 모세혈관 내피세포(Human Brain Microvascular Endothelial Cell, HBMEC)를 뇌혈관 주변 세포(Human Brain Vascular Pericyte, HBVP)가 빈틈없이 에워싼 구조다. 뇌를 보호하기 위해 혈액으로부터 필요한 영양분들만 선택적으로 통과시키고 대사산물이나 독소 등 이물질을 걸러내는 관문 역할을 한다. 하지만 치매 치료제와 같은 약물들도 투과하기 어려워 전달률을 떨어뜨리는 문제도 발생한다. 이는 알츠하이머병이나 파킨슨병 등 신경퇴행성 뇌질환의 신약 개발에 걸림돌로 여겨진다.
이러한 문제를 해결하기 위해 연구용 BBB 모델이 개발됐지만 생체 내의 미세환경과 유사한 구조를 구현하는 데 한계가 있었다. 특히 뇌혈관의 기능 측면에서 BBB 내부의 유체 흐름과 투과성을 재현하는 게 중요하다.
연구팀은 동축 노즐을 사용한 3D 프린팅 기술로 BBB의 기능과 신경염증 반응을 재현할 수 있는 다층적 관형 뇌혈관 모델 제작하고, 돼지의 뇌와 혈관(대동맥)으로부터 유래한 CBVdECM로 독자 개발한 바이오잉크를 적용했다.
CBVdECM은 BdECM(Brain-derived Decellularized Extracellular Matrix)과 VdECM(Vessel-derived Decellularized Extracellular Matrix)을 혼합해 뇌혈관 조직의 구조와 기능을 모사할 수 있도록 설계됐다. BdECM은 뇌 조직에서 세포를 제거하고 남은 세포외 기질로, 뇌혈관 장벽의 기저막 형성과 세포 간 밀착 결합을 강화하는 생화학적 성분이다. VdECM은 혈관 조직에서 세포를 제거한 후 남은 세포외 기질이며, 혈관 내피세포의 신생과 새로운 혈관 형성을 유도하는 단백질을 포함한다.
이 모델은 HBMEC와 HBVP가 자발적으로 결합해 이중 층 배열 구조를 형성함으로써 실제 BBB와 유사한 구조를 정밀하게 구현할 수 있다. 또한 TNF-α나 IL-1β와 같은 염증성 사이토카인 자극에 따라 세포 밀착 접합 단백질인 혈관 내피 카드헤린(VE-cadherin)의 분해와 염증 반응을 유사하게 재현한다.
연구팀은 “이 모델은 파킨슨병에서 BBB 파괴와 알파 시누클레인(α-synuclein) 축적을 포함한 신경염증 관련 병리학 기전 연구에 유용할 것”이라며 “앞으로 아교세포, 뉴런, 단핵구 및 백혈구 등 신경염증에 관여하는 세포를 추가해 연구의 신뢰성을 높일 것”이라고 밝혔다.
이어 “3D 관형 구조의 투과성을 측정하기 위한 방법론 개발이 유망하다”며 “향후 CBVdECM이 어떻게 뇌혈관 기능을 최적화하는지에 대해 더 포괄적인 탐구를 수행할 것”이라고 덧붙였다.
이번 연구는 국제 학술지 ‘바이오머티리얼즈 리서치(Biomaterials Research)’ 최신호에 실렸다.
한편, 포스텍은 장 교수가 한국인 최초로 바이오머티리얼즈(Biomaterials)의 ‘젊은 연구자상(Biomaterials Award for Young Investigator) 2025’을 수상했다고 22일 밝혔다.
이 상은 바이오머티리얼즈를 발행하는 ‘엘스비어(Elsevier)’가 재생의료·생체재료 분야에서 탁월한 성과를 보인 젊은 연구자를 격려하기 위해 2021년 제정했다.
Source
Hohyeon Han, Sooyeon Lee, Ge Gao, Hee-Gyeong Yi, Sun Ha Paek, Jinah Jang. Cerebrovascular-Specific Extracellular Matrix Bioink Promotes Blood–Brain Barrier Properties. Biomater Res. 2024;28:0115.DOI:10.34133/bmr.0115
