뇌에는 침투한 병원체나 뇌세포에서 나오는 쓰레기를 처리하는 '청소부'가 있다. 바로 뇌세포 중 12%를 차지하는 미세아교세포(microglia)다. 미세아교세포는 사용하지 않는 시냅스를 없애 뇌 회로를 효율적으로 만든다. 하지만 지나친 미세아교세포의 활동은 알츠하이머병 등 신경퇴행성질환을 유발하기도 한다.

기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 복잡계 자기조립 연구단(단장 김기문) 장영태 부연구단장(포항공대 화학과 교수) 팀은 제현수 싱가포르 듀크엔유에스의대(DUKE-NUS) 교수, 싱가포르 국립바이오이미징컨소시엄(SIBC) 연구진과 함께 미세아교세포만을 선택적으로 염색하는 형광물질 'CDr20(Compound Designation red 20)'을 개발하고, 살아있는 동물의 뇌에서 미세아교세포의 활동을 실시간 추적 관찰하는 데 성공했다.

미세아교세포가 뇌질환 발병 및 진행에 관여한다고 알려진 건 비교적 최근이다. 미세아교세포는 '시냅스 가지치기'를 통해 사용하지 않는 시냅스를 없애는데, 오작동으로 인해 정상적인 시냅스까지 과도하게 없애게 되면 신경퇴행성질환으로 이어진다. 뇌질환의 근본적인 원인을 규명하고, 궁극적인 치료제를 개발하기 위해서는 미세아교세포를 추적‧관찰하는 일이 필요한 이유다.

지금까지 살아있는 동물에게서 미세아교세포를 관찰하는 유일한 방법은 형질전환생쥐를 활용하는 것뿐이었다. 이는 유전자조작을 통해 미세아교세포에 형광단백질을 발현하는 방식이다. 하지만 오랜 노력과 비용이 필요한 것은 물론, 임상 연구에 적용할 수 없다는 한계가 있었다.

국제공동연구진은 형질전환 없이 간단하게 미세아교세포를 표지할 수 있는 형광물질을 찾아냈다. 우선 연구진은 뇌 조직 내 세포 상태와 유사한 뇌세포 배양체를 이용해 다른 세포들은 염색하지 않으면서 미세아교세포만을 선택적으로 염색하는 형광물질 후보를 선정했다. 그중 가장 세포 선택성이 높은 물질을 CDr20이라 명명했다. 이후 알츠하이머병 모델 생쥐의 꼬리 정맥을 통해 CDr20을 주사했다. 형광 현미경으로 관찰한 결과, CDr20이 미세아교세포만 정확하게 염색함을 확인했다.

이어 연구진은 CDr20이 미세아교세포만을 특이적으로 염색할 수 있는 원리를 파악하기 위한 실험을 설계했다. 약 2만 개의 생쥐 유전자를 하나씩 없앤 미세아교세포 2만 여 종의 라이브러리를 제작하고, 이들 중 CDr20에 의해 염색되지 않는 세포들을 모아 분석했다.

분석결과 CDr20의 염색 성능은 'Ugt1a7c'라는 유전자의 유무에 따라 크게 차이가 남을 밝혔다. 본래 형광이 매우 약한 CDr20은 Ugt1a7C 효소와 만나면 분자구조에 변화가 생기고, 형광성이 큰 형태로 변화해 강한 붉은색 형광 빛을 낸다.

이번 연구는 뇌의 미세아교세포에만 존재하는 Ugt1a7c 효소를 이용해 미세아교세포를 선택적으로 염색하는 형광표지를 개발했다. 미세아교세포는 알츠하이머병, 파킨슨병 등 난치성 질환인 신경퇴행성뇌질환의 발병과 진행에 관여하기 때문에 개발된 형광물질이 향후 뇌질환의 궁극적인 원인 규명, 치료기법 개발에 기여할 것으로 기대된다.

장영태 부연구단장은 "살아있는 개체의 뇌 속 미세아교세포를 형질전환동물을 사용하지 않고도 간단하게 표지할 수 있는 최초의 형광물질을 개발한 것"이라며 "다른 뇌세포에서 발현되지 않는 특별한 효소와 반응해 형광을 내는 물질로, 의‧생명 분야의 후속연구로 이어져 궁극적인 뇌질환 치료제가 개발되길 바란다"고 말했다.

연구성과는 화학분야 권위지인 독일응용화학회지(Angewandte Chemie International Edition, IF 12.102) 4월 30일(현지시간)자 온라인 판에 실렸다.

그림설명

▲ [그림 1] 미세아교세포 특이적인 형광체 CDr20 선별융합 일차배양 뇌세포를 이용한 미세아교세포 특이적 형광화합물 스크리닝 방법 모식도(가). 융합 일차배양 뇌세포는 갓 태어난 생쥐의 뇌세포를 배양해 만든다. 연구진은 880여 개의 형광물질을 보유한 라이브러리를 탐색해 미세아교세포 형태만을 선택적으로 염색하는 화합물질을 선별했다(나). 그림 다)는 최종적으로 선별된 화합물질인 CDr20의 화학구조를 보여준다. 그림 라)는 살아있는 융합 일차배양 뇌세포에 CDr20과 세포 핵 염색물질을 적용한 모습이다.

▲ [그림 2] 미세아교세포 특이적인 형광물, CDr20의 동정 및 확인연구진은 살아있는 일차배양 뇌세포에 염색된 CDr20의 사진을 찍은 뒤, 미세아교세포에 특이적인 면역염색 결과와 대조했다. 그 결과, CDr20이 미세아교세포만을 특이적으로 염색함을 확인했다.

▲ [그림 3] 알츠하이머 동물모델 뇌의 미세아교세포를 CDr20으로 관찰한 모습연구진은 살아있는 뇌 조직절편 배양액에 CDr20을 추가하여 조직 내 미세아교세포를 간단히 관찰했다(가). 녹색형광단백질로 미세아교세포를 미리 염색한 형질전환 생쥐와 비교해 CDr20의 선택적인 미세아교세포 염색 성능을 확인했다. 이후 CDr20을 쥐의 꼬리정맥으로 주사해 뇌 속 미세아교세포를 직접 관찰하는 실험을 진행했다(나). CDr20 꼬리정맥 주사 전후 생쥐의 뇌 이미지에서 CDr20이 미세아교세포를 정확히 붉은색으로 염색했음을 확인할 수 있다(다).

▲ [그림 4] CDr20의 미세아교세포 선택적 염색 메커니즘CDr20은 미세아교세포에서 과발현된 Ugt1a7c 효소로 인해 염색이 유도된다(가). 그림 나)에서 Ugt1a7c 효소를 포함한 경우 CDr20의 발광이 가장 밝음을 확인할 수 있다. CDr20은 Ugt1a7c과 만났을 때 구조에 변화가 생기고, 이 때문에 형광성이 높아진다.