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인간의 감정 및 스트레스 반응은 뇌 기능의 산물로서, ‘측중격(Lateral Septum)’을 포함한 다양한 뇌 영역과 신경회로에 의해 조절된다. 일반적으로 뇌 기능은 신경세포(뉴런)와 신경세포 간에 이루어지는 신호전달 체계(시냅스)에 의해 이루어지는 것으로 알려져 왔다.

하지만 뇌에는 신경세포 외에도 다양한 신경교세포가 공존한다. 다만, 신경교세포가 감정 및 스트레스 조절에 참여할 수 있는지는 잘 알려져 있지 않았다.

서울대학교 치의학대학원 최세영 교수팀은 쥐 모델을 활용한 실험을 통해 뇌 측중격에 있는 성상교세포가 감정 및 스트레스 조절에 참여한다는 것을 발견했다. 측중격 성상교세포는 ‘혐오 감정’과 ‘사회적 스트레스’ 상황에서 세포 내 칼슘 이온(Ca2+) 농도의 증가를 보이며 활성화됐다. 이는 측중격 신경세포에서 나타나는 현상과 같다.

연구팀은 측중격 뇌절편을 이용해 전기생리학적 신경 활성을 측정했다. 그 결과 성상교세포가 측중격 뇌 영역별로 다르게 작동한다는 사실을 밝혀냈다. 측중격 전반에 걸친 성상교세포의 활성화는 ‘아데노신’의 분비와 ‘A1 수용체’의 도움을 받아 측중격 신경세포의 흥분성 시냅스 전달을 감소시켰다. 즉, 성상교세포가 신경계의 과도한 활성화를 억제하도록 돕는다는 의미다. 

하지만 측중격의 중간영역에서는 분비된 아데노신이 A2A 수용체(A2AR) 신호 전달을 통해 억제성 시냅스 전달을 강화했다. 동시에 측중격 성상교세포는 먼 거리에 있는 측중격 신경세포에 대한 억제성 신호를 감소시켜, 신경회로의 활성을 증가시켰다.

이러한 결과는 측중격 성상교세포가 억제성 신경세포로만 구성된 영역에서 ‘억제해제(disinhibition)’를 유도하여, 측중격 신경세포를 조절하고 이들의 역동적인 상호작용이 스트레스 경험에 대한 생리적 및 행동적 반응을 조절한다는 사실을 말해준다.

연구팀은 이번 연구를 통해 ‘혐오 감정’과 ‘스트레스 행동’의 뇌 기전을 신경회로 수준까지 이해하는 데 기여했다는 입장을 밝혔다. 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 중견연구자 지원사업의 지원을 받아 수행됐으며, 국제 학술지 「네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)」에 게재됐다.

(논문 제목 : 측좌 시상하부 뉴런의 성상세포 억제가 다양한 스트레스 반응을 촉진한다 Astrocytic inhibition of lateral septal neurons promotes diverse stress responses)

포스텍(POSTECH) 연구팀이 암 환자의 약물 반응을 정확하게 예측할 수 있는 3D 위암 모델을 개발했다. 이를 통해 환자의 개별 특성을 유지하면서, 환자별 약물 반응을 평가하고 예측할 수 있는 가능성을 제시할 수 있게 됐다는 평가다. 이번 연구 개발 결과는 국제 학술지인 「어드밴스드 사이언스(Advanced Science)」에 최근 게재됐다.

 

환자마다 다른 종양의 특성

암 치료에서 가장 큰 난제라 하면 ‘종양의 이질성’을 빼놓을 수 없다. 같은 암을 앓고 있는 환자라도, 저마다 종양의 특성이 달라 약물에 대한 반응이 다르게 나타난다는 것이다. 

현재까지는 암 조직을 동물 모델에 이식해 약물 반응을 관찰하는 ‘PDX 모델’, 또는 암 세포 유전자를 분석해 약물의 효과를 예측하는 방법이 주로 사용됐다. 하지만 이 방법들은 시간과 비용이 많이 들고, 모든 환자에게 적용하는 데는 한계가 있다.

POSTECH 기계공학과·생명과학과·IT융합공학과·융합대학원 장진아 교수 연구팀은 미국 잭슨랩 유전체의학연구소의 찰스 리 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 ‘3D 바이오프린팅 기술’로 이러한 한계를 극복하고자 했다.

공동 연구팀은 3D 바이오프린팅 기술을 토대로 환자의 위암 조직 조각, 그리고 위에서 유래한 탈세포화 세포외기질(ECM) 하이드로젤을 사용해 바이오 잉크를 만든 다음, 암 세포와 주변 조직(간질세포) 사이의 상호작용을 재현했다. 여기에 위 섬유아세포를 함께 배양해, 종양을 둘러싼 미세환경을 더욱 정교하게 구현하고자 했다.

 

환자별 맞춤형 암 치료법 제시

이렇게 만들어진 3D 위암 모델은 환자 고유의 위 조직 특성을 유지하면서도 기존 방법보다 더 나은 성과를 보였다. 기존 PDX 모델에 비해 암의 발생, 성장, 약물 반응 관련 유전자 발현 패턴이 실제 환자와 유사하게 나타났다. 또한, 항암제 효과 및 예후 예측 실험에서의 정확도도 더 높았다. 특히, 3D 위암 모델은 조직을 채취한 후 2주 이내에 신속한 평가가 가능하다는 장점이 있다.

장진아 교수는 3D 바이오프린팅 기술로 위암 모델을 만든 이번 연구에 대해 “환자 맞춤형 치료법 개발은 물론, 새로운 항암제와 병합요법의 효과를 검증하는 전임상 플랫폼으로도 활용될 수 있다는 점에서 의미가 크다”라고 전했다. 

공동 연구를 진행한 찰스 리 교수는 “이 모델은 암 세포와 간질세포 간 상호작용을 정밀하게 재현해 약물 반응 정확성을 높이고, 효과가 없는 환자에 대한 불필요한 약물 사용을 줄이는 데 기여할 것”이라는 말을 덧붙였다.

3D 바이오프린팅으로 만든 위암 모델에 관한 이번 연구는 한국연구재단 대학중점연구소지원사업, 과학기술정보통신부 및 한국연구재단 STEAM 연구사업 미래유망융합기술파이오니어, 중견연구자 지원사업의 지원을 받아 수행됐다.

 

염증성 장 질환(Inflammatory Bowel Disease, IBD)은 소장과 대장, 직장 등에 만성적 염증이 발생하는 질환이다. 주된 유형으로는 ‘궤양성 대장염’과 ‘크론병’이 포함된다. 

경희대병원 소화기내과 이창균 교수에 따르면, “염증성 장 질환은 진단 기준이 명확하지 않아 불확실성이 따르며, 다양한 검사를 거쳐야 하므로 환자의 번거로움도 존재”한다. 이 교수는 최근 국제 학회 발표를 통해 염증성 장 질환자의 장내 미생물 간 기능적 불균형이 건강한 사람보다 높다는 연구 결과를 발표했다. 이를 통해 보다 빠르고 정확한 진단 가능성을 제시했다.

 

진단 기준이 명확하지 않은 이유

염증성 장 질환으로 인해 나타나는 증상은 복통, 설사, 체중 감소, 피로 등이다. 다른 이상증상이나 질환에서도 나타날 수 있는 비특이적 증상이기 때문에, 증상만 가지고는 정확한 진단이 어렵다. 소화기 질환에서 흔히 나타나는 증상이기도 하고, 실제로 염증성 장 질환이 다른 질환과 함께 나타나는 경우는 더 복잡해진다.

염증성 장 질환의 대표적인 유형인 궤양성 대장염과 크론병만 해도, 병리학적으로 각각 다른 특성을 보인다. 같은 질환이라도 실제 병변의 위치와 형태가 다양하기 때문에 의학적 진단을 복잡하게 하는 원인이 된다.

이 때문에 염증성 장 질환이 의심될 때는 다양한 검사 방법을 동원한다. 혈액 검사, 대장 내시경, 조직 생검 등 여러 가지 방법을 활용할 수 있다. 다만, 염증의 정도와 위치에 따라 검사 결과 해석도 엇갈릴 수 있다는 점이 문제다. 여러 검사를 받기 위해서는 환자의 부담과 번거로움이 커진다는 것 또한 간과할 수 없다.

 

장내 미생물 기능적 불균형 주목

경희대학교병원 염증성 장 질환 센터 이창균 교수는 지난 2월 19일(수)부터 4일간 독일 베를린에서 열린 ‘유럽 염증성 장 질환 학회(ECCO 2025)’에 참석했다. 이창균 교수는 이 학회에서 ‘염증성 장 질환 진단을 위한 장내 미생물 바이오마커 발굴’이라는 주제로 연구결과를 발표했다. 이번 ECCO에서는 유일한 한국인 구연 발표자였다.

이번 학회에서 이 교수가 발표한 연구에서는 염증성 장 질환자 1,293명과 건강한 사람 2,467명을 포함해 도합 3,760명의 분변 샘플을 확보해 분석한 바 있다. 장내 미생물의 시퀀싱 데이터(16s rRNA data)를 분석하고 비교 연구했으며, 그 결과 염증성 장 질환과 장내 미생물 간 기능적 불균형의 관계를 확인했다.

연구결과에 따르면, 염증성 장 질환자에게서는 장내 미생물 간 기능적 불균형이 두드러지게 나타났다. 건강한 사람에 비해 불균형 정도가 더 높다는 것을 뚜렷하게 확인할 수 있었다. 장내 미생물들의 기능적 불균형이 높다는 것은, 장내 미생물의 다양성이 부족하고 특정 유해균이 과도하게 증식한다는 것을 의미한다.

 

장내 미생물 불균형과 염증성 장 질환

장내 미생물 균형은 두 가지 관점에서 바라볼 수 있다. 하나는 ‘미생물 군집 자체의 불균형’이다. 유익균의 수가 적거나 유해균이 과도하게 많아 장내 환경을 변화시키는 것으로, 장내 미생물의 구성이나 균형 자체가 정상적인 상태에서 벗어난 경우를 말한다.

다른 하나는 ‘기능적 불균형’이다. 유익균과 유해균의 개체 수나 비중 등이 정상 범위에 있더라도, 각자가 수행해야 할 기능이 제대로 이루어지지 않는 상태를 말한다. 두 가지 유형의 불균형은 엄밀히 따지자면 다른 개념이지만, 사실상 밀접하게 연관돼 있다. 염증성 장 질환에서도 두 유형의 불균형이 함께 나타나거나 서로 영향을 줄 수 있는 관계이기도 하다.

이창균 교수는 “이번 연구 결과는 염증성 장 질환의 새로운 진단 도구 개발에 도움이 될 것으로 판단된다”고 이야기했다. 기존에 여러 가지 검사를 수행해서 종합해야 했던 것과 달리, 장내 미생물 간 기능적 불균형을 토대로 보다 명확한 진단 기준을 마련할 수 있다는 것이다. 이 교수는 “앞으로 다각도적인 연구를  수행해, 보다 빠르고 정확한 진단 기준을 마련하는 데 힘쓰겠다”고 말했다. 

이 교수는 현재 보건복지부와 질병관리청이 주관하는 ‘병원 기반 인간 마이크로바이옴 연구개발 사업’의 연구책임자로서, 한국인  염증성 장 질환의 장내 미생물과 멀티오믹스 연구를 주도하고 있다.

 

스페인 국립 심혈관 연구 센터(CNIC)에서는 면역 세포로만 알려져 있던 ‘호중구’가 피부에서 단백질과 같은 세포외기질(Extracellular Matrix, ECM)을 생성해 피부 저항력과 무결성을 유지한다는 사실을 발견했다. 이 연구 결과는 국제 학술지 「네이처(Nature)」에 발표됐다. 기존에 알려진 호중구의 역할과 새롭게 발견한 역할, 그리고 피부 장벽 강화와의 연관성에 대해 알아본다.

 

호중구의 기존 역할과 새로운 발견

호중구(Neutrophil)는 백혈구의 한 종류이자 가장 흔한 유형이다. 전체 백혈구의 약 50~70%를 차지하면서, 면역 체계에서 중요한 역할을 하는 세포다. 호중구는 골수에서 생성돼 혈액을 타고 체내를 돌아다니는 ‘순환 면역 세포’의 한 종류다. 감염이나 염증이 발생한 부위로 이동해 면역 반응을 일으키는 주체가 바로 호중구다.

본래 호중구는 세균, 곰팡이를 비롯한 병원균을 탐지하고 공격하여 제거하는 역할로 가장 잘 알려져 있다. 감염이 발생하면 호중구는 염증 신호를 감지하고, 해당 부위로 이동해 염증 매개 물질을 방출하며, 활성산소종(ROS)과 같은 항균 물질을 생성해 병원균을 제거한다. 그런 다음 식세포 작용(Phagocytosis)을 통해 병원균을 없앤다. 

여기에 이번 CNIC에서 수행한 연구를 통해 표피층 아래 세포외기질을 만들고 재구성하는 과정에서 호중구가 의외의 역할을 한다는 사실이 밝혀졌다. 연구 내용에 따르면, 호중구는 면역 체계로서 병원균을 공격할 뿐만 아니라, 피부 장벽 강화에 기여해 병원균의 침입을 물리적으로 막는 데 도움을 줄 수 있다.

 

호중구의 피부 장벽 강화 기능

CNIC 연구팀의 설명에 따르면, 호중구는 피부의 탄력과 강도를 유지하는 콜라겐 등의 단백질을 생성하는 역할로 피부 장벽 강화에 기여한다. 호중구는 정상 상태에서는 체내를 순환하며 피부의 무결성을 유지하는 역할을 수행하고, 피부 조직에 상처가 발생할 경우 반응해 그 주위에 보호 구조를 만드는 역할을 한다. 상처 주변에 생긴 보호 조직이 박테리아나 독소의 침입을 막아 상처가 덧나는 것을 예방하는 것이다. 이 기능은 TGF-β 신호 전달 경로에 의해 조절된다.

연구팀은 이를 확인하기 위해 동물 모델에서 TGF-β 신호 전달 경로를 삭제하는 실험을 진행했다. 그러자 세포외기질의 축적이 감소해 피부가 더 취약하고 투과성이 높은 상태가 된다는 것을 확인했다. 호중구의 역할 수행이 차단되면서 피부 장벽 강화가 제대로 이루어지지 않는다는 것이다.

연구팀을 이끄는 안드레스 이달고 박사는 “피부와 같은 신체의 구조적 요소와 면역 체계 사이에 일반적으로 생각하는 것보다 훨씬 더 직접적인 상호작용이 이루어진다는 것을 보여주는 결과”라고 이야기했다. 연구팀은 이번 발견을 통해 면역 체계에 대한 이해를 넓히고, 피부 질환과 염증, 당뇨 및 관련 질환을 치료하는 전략을 강화할 수 있을 거라고 보고 있다.

한편, 피부 호중구의 활동은 낮과 밤의 패턴, 즉 신체의 일주기 리듬에 따라 세포외기질의 생성을 조절한다는 것도 연구를 통해 확인됐다. 예를 들어, 호중구 활동이 야간에 활발해지는 덕분에 쥐의 피부는 낮보다 밤에 더 강한 저항력을 가진다. 

다만, 피부의 저항력은 일주기 리듬 외에도 환경적 요인, 스트레스 여부, 호르몬 변화 등에 따라 달라질 수 있다. 이달고 박사는 “체내 리듬이 신체 조직의 방어, 재생, 복구 과정에 어떤 영향을 미치는지는 추가로 알아볼 필요가 있다”라고 이야기했다.

 

호중구에 주목한 새로운 치료 전략

한편, 이달고 박사는 CNIC 외에도 미국 예일대 의대에서도 재직 중이다. 그는 호중구가 세포외기질을 생성하는 역할을 한다는 것을 발견함으로써 ‘선천 면역’에 대한 기존의 이해와 지식을 넓힐 수 있었다고 말한다. 이전까지 선천 면역은 주로 감염에 대한 방어에 국한됐으나, 이번 발견을 통해 면역 세포가 조직의 구조적 무결성을 유지하는 데도 기여한다는 점이 밝혀진 것이다.

이에 따라 피부 질환 및 면역 장애에 대해 새로운 치료 전략을 발굴할 수 있을 것으로 보고 있다. 예를 들면, 특정한 질환에서 호중구의 기능을 직접 조절하거나 TGF-β 신호 전달 경로를 조절하는 약물을 개발해, 피부 재생 및 염증 반응을 조절할 수도 있을 것이다. 개인 면역 반응과 피부 상태를 분석해 맞춤형 치료 계획 수립에 기여할 수도 있을 것이다.

한편, 이달고 박사는 현재 호중구가 세포외기질을 생성하는 과정이 조직의 비정상적인 두꺼움을 유발하는 ‘섬유화 과정’, 그리고 암 세포의 성장이나 전이에 어떤 영향을 미칠 수 있는지를 추가로 조사하고 있다.