사람의 망막이 손상되면 지금은 한가지 치료법이 있다. 전자눈을 이식하는 것이다. 전자눈은 비용이 많이 들 뿐 더러 큰 수술이 필요하고 또렷하게 보이지도 않는다. 뇌과학자들이 새로운 대체수단의 놀라운 효과를 연구했다. 유전자 치료로 앞 못 보는 생쥐의 시력을 되찾아 준 것이다. 앞 못 보는 생쥐에게 바이러스를 통해서 초록색 옵신을 주입했더니, 이 눈 먼 쥐는 정상적인 활동을 할 만큼 시력을 회복했다.

 

과학자들이 발견한 유전자 치료법은 놀랄만큼 간단했다. 미국 캘리포니아대학교 버클리 캠퍼스(UC 버클리)의 연구팀은 눈 먼 생쥐의 눈에 초록색 수용체 유전자를 주입했다.그랬더니 1개월 뒤에 이 눈 먼 생쥐들은 시력 문제가 없는 생쥐들처럼 아주 쉽게 장애물을 피해 다녔다. 움직임을 볼 수 있었고, 아이패드에 적힌 글자를 구분할 정도로 시력이 회복됐다.

 

신경절 세포에 유전자를 주입하는 새 치료법 개념도. 오른쪽 그림은 정상적인 망막을 구성하는 층을 나타낸다. ⓒ John Flannery

 

연구원들은 빠르면 3년 안으로 이 유전자 치료법이 망막 손상으로 시력을 잃어버린 사람들을 대상으로 임상실험에 들어갈 수 있을 것으로 전망했다.이번 연구결과는 15일 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications) 온라인에 발표됐다.

 

초록색 수용체 유전자 1개로 충분했다.

 

UC버클리 분자및세포생물학의 에후드 이사코프(Ehud Isacoff) 교수는 “사람의 눈에 유전자 치료법을 적용하면 수개월 뒤에 볼 수 있을 것”이라고 말했다.

 

지금까지 망막의 신경퇴화로 발생한 질병을 앓고 있는 환자들이 할 수 있는 일이라고는 퇴화의 진전을 늦추거나 중지시키는 것 뿐이었다. 세계적으로 약 1억 7000만명이 노화와 관련된 망막손상으로 고통받고 있다. 이는 55세 이상 되는 사람의 10%가 넘는다. 약 170만 명은 선천적으로 색소성 망막염으로 태어나는데 이들은 40세가 되면 보통 맹인이 된다.

 

현재로서는 이러한 환자들이 선택할 수 있는 것은 전자눈을 이식하는 것으로 제한되어 있다. 이 전자눈은 비디오 카메라가 달린 안경을 써야 할 뿐 아니라 매우 비싸다. 전자눈은 신호처리 장치를 지니고 다니면서 망막에 신호처리 장치를 이식하는 복잡한 구조이다. 해상도가 불과 수 백 픽셀 정도여서 매우 흐릿하다. 선명하게 보려면 수백만 픽셀이 필요하다.

망막의 손상을 불러오는 유전적 결함을 고치는 것은 그렇게 간단하지 않다. 왜냐하면 색소성 망막염 하나만 해도 여기에 관여하는 유전적 변이가 무려 250가지나 되기 때문이다. 이 유전적 변이의 90%는 망막의 광수용체 세포를 죽인다. 눈에 있는 막대세포는 희미한 빛에 민감하고 원추세포는 대낮에 색깔을 인식한다.

 

그러나 다행한 것은 망막이 손상되어도 망막신경절(retinal ganglion) 세포 같이 시력에 관계하는 다른 세포들은 살아있다. 망막신경절 세포는 사람들이 완전히 앞을 보지 못하게 된 후에도 수십 년 동안 건강한 상태로 남아있다.

UC버클리 연구팀은 생쥐를 대상으로 한 실험에서 90%에 달하는 망막신경절세포가 빛을 감지하는 기능을 회복하는데 성공했다. 생쥐의 시력을 회복하기 위해 연구원들은 망막신경절 세포에 도착하는 바이러스를 설계하고, 이 바이러스에 빛을 감지하는 수용체인 초록색 원추형 옵신(cone opsin)을 가진 유전자를 탑재했다. 보통 이 옵신은 원추형 광수용체 세포에 의해서만 표현이 되면서 초록-노랑색을 감지한다.

 

낯 선 우리에 들어갔을때, 눈 먼 쥐의 궤적(위)과 유전자 치료받은 쥐(가운데) 및 정상쥐의 궤적

ⓒ Photo by Ehud Isacoff and John Flannery

 

눈에 주입된 바이러스는 이 유전자를 신경절 세포로 들어가게 한다. 빛을 감지하지 못하던 신경절 세포가 빛을 감지하면서, 두뇌에 신호를 보내 두뇌가 사물을 해석하도록 하는 것이다. 물론 인간의 망막은 상황이 다르다. 사람을 치료하기 위해서는 더 많은 바이러스를 주입해야 하는데 왜냐하면 사람의 눈은 생쥐의 눈에 비해서 천 배나 많은 신경절 세포를 가지고 있기 때문이다.

 

그러나 연구팀은 바이러스 전달을 증진하는 방법을 고안했으므로 유전자 치료법으로 해상도가 높은 카메라에 버금가는 시력을 회복할 수 있을 것으로 전망하고 있다. 수십 년 동안 이 분야를 연구한 이사코프와 플라너리 교수는 그동안 복잡한  치료법을 연구해왔다. 신경전달 물질 수용체와 빛을 감지하는 화학적 스위치 등을 결합하는 치료법이다. 이 방법이 효과는 있었지만, 정상적인 시력을 회복할 만큼 민감할 정도로 높아지지는 않았다. 옵신 역시 민감도나 낮았기 때문에 빛을 증폭하는 안경이 사용이 필요했다.

 

AAV 이용한 치료법으로 큰 성과 거둬

 

자연적인 수준에 도달하는 민감성을 확보하기 위해서 이사코프와 플라너리 교수는 ‘아데노 부속 바이러스’ (AAV·adeno-associated virus)를 이용하는 치료법에 눈을 돌렸다. AAV를 이용해서 두 사람은 신경절 세포에 있는 유전자 안으로 망막 옵신 유전자를 성공적으로 전달할 수 있었다.

 

이사코프 교수는 “이 시스템은 정말 대단히 만족스럽게 작용하고 있으며, 게다가 아주 간단하다”고 말했다. AAV 전달 시스템을 이용한 치료법은 퇴행성 망막 안질환을 앓고 있는 환자의 치료법으로 FDA의 승인을 받았다.

 

대부분의 사람들은 옵신이 특정한 막대세포와 원추세포의 광수용체에 작용할 수 있을지에 대해서 의문을 가지고 있다. 광수용체의 표면은 옵신으로 덮혀 있다. 막대세포에는 로돕신이 있고, 원추세포에는 빨강 초록 파랑 등의 옵신이 있다. 이들은 아주 복잡한 분자기계 안에 숨어있다.

 

눈이 멀었다가 유전자 치료를 받은 쥐가 정상적으로 장애물을 피하고 있다. ⓒ Photo by Ehud Isacoff and John Flannery

 

신경시스템의 G단백질 수용체 전문가인 이사코프 교수는 옵신이 망막 신경절세포의 신호시스템에 자동적으로 연결될 것이라고 생각했다. 처음에는 원추형 옵신 보다 더 빛에 민감한 로돕신을 가지고 시도했다. 로돕신을 막대세포와 원추세포가 완전히 퇴화돼 앞을 볼 수 없는 생쥐의 신경절 세포에 도입했을 때 생쥐는 어두움과 빛을 분간하는 능력을 되찾았다. 그러나 로돕신은 너무 반응이 느렸으며 이미지와 물체를 분간하지 못해,  연구진은 로돕신보다 10배 빨리 반응하는 초록색 원추형 옵신으로 다시 시도했다. 그랬더니 생쥐는 보통 사람들의 시력을 측정할 때 사용하는 것과 같이 가로선과 세로선을 구분할 수 있었으며 움직이는 선과 정지된 선을 구분했다. 생쥐는 실제 생활에 필요한 인지기능 및 3차원 공간을 탐험하는 능력도 회복했다.

 

심재율 객원기자 kosinova@hanmail.net
저작권자 2019.03.19 ⓒ ScienceTimes

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사람이 눈에 보이는 자연을 다양한 색감으로 인지할 수 있다는 것은 커다란 축복이자 신비의 하나다.

 

이 색감을 통해 사람은 자연을 탐구하고, 생존 기술도 익혔으며, 과학과 예술을 발전시켰다.

 

때문에 색을 볼 수 있는 세포가 어떻게 만들어지는가는 눈을 연구하는 과학자들이 오랫 동안 궁금하게 여겨온 과제다.

 

최근 미국 존스홉킨스대 생물학자들은 사람이 컬러로 사물을 보도록 하는 세포가 어떻게 만들어지는가를 확인하기 위해 인체 망막 조각에서 망막을 성장시키는 연구를 수행했다.

 

이들은 세포 수준에서 인간 발달을 연구할 수 있는 실험실 제조 ‘오가노이드(organoid)’를 확립해 눈이 갑상선 호르몬을 조절해 색을 검출한다는 사실을 밝혀냈다. 관련 동영상

 

이 연구는 과학저널 ‘사이언스’(Science) 12일자에 발표됐다. 이번 연구는 색맹이나 황반변성 치료법 개발에 중요한 교두보를 마련한 것으로 평가된다.

 

미국 존스홉킨스대 연구팀은 인간의 망막 조직을 성장시켜 어떻게 물체를 컬러로 보는지를 확인했다.  CREDIT: Len Turner and Dave Schmelick/JHU

 

미국 존스홉킨스대 연구팀은 인간의 망막 조직을 성장시켜 어떻게 물체를 컬러로 보는지를 확인했다.

CREDIT: Len Turner and Dave Schmelick/JHU

 

인체 눈과 같은 오가노이드 생성

 

존스홉킨스대의 발달생물학자인 로버스 존스턴(Robert Johnston) 조교수는 “우리가 검토하는 모든 것은 단지 실험실 배양접시에서 자란다는 것뿐이지 정상적으로 발달하는 눈과 같다”고 말하고, “직접 인체를 대상으로 하지 않고도 조작할 수 있는 모델 시스템을 갖게 됐다”고 밝혔다.

 

존스턴 교수 실험실에서는 세포의 운명은 어떻게 결정되는가 혹은 발달 중인 세포가 특정 유형 세포로 분화하기 위해 자궁에서는 무슨 일이 일어나는가와 같은, 거의 알려지지 않은 인체 생물학을 탐구하고 있다.

 

이번 연구에서 존스턴 교수팀은 사람들이 파랑, 빨강, 녹색을 볼 수 있게 하는 세포인 세 가지 원뿔 광수용체 연구에 초점을 맞췄다.

 

대부분의 시각 연구는 생쥐나 물고기를 대상으로 행해진다. 그러나 이 종들은 인간과 같이 낮시간에 역동적으로 활동하거나 색채 감각을 가지고 있지 않다. 때문에 존스턴 교수팀은 줄기세포를 이용해 연구에 필요한 인체 눈을 창출해 냈다.

 

실험실에서 배양 291일째의 망막 조직. 동영상 캡처. CREDIT: Len Turner and Dave Schmelick/JHU

 

실험실에서 배양 291일째의 망막 조직. 동영상 캡처. CREDIT: Len Turner and Dave Schmelick/JHU

 

색감 세포 핵심 열쇠는 갑상선 호르몬 수치

 

논문 제1저자인 키아라 엘드레드(Kiara Eldred) 대학원생은 “삼색의 컬러 비전은 대부분의 포유동물로부터 인간을 두드러지게 한다”며, “우리는 이 세포들이 어떤 경로를 통해서 우리에게 특별한 컬러 비전을 제공하는지를 밝혀내려고 노력하고 있다”고 말했다.

 

몇 달 동안에 걸쳐서 세포들이 자라나 본격적인 망막이 형성되자 연구팀은 파랑색을 검출하는 세포들이 먼저 구체화되고 이어서 빨강과 녹색 검출 세포들이 나타난다는 것을 발견했다.

 

연구팀은 두 경우 모두 분자 스위치의 핵심이 갑상선 호르몬의 입출이라는 것을 알게 됐다.

 

중요한 것은 이 호르몬의 수치가 갑상선에 의해 조절되는 것이 아니라(물론 갑상선이 배양접시에 있지도 않지만), 전적으로 눈 자체에 의해 조절된다는 사실이었다.

 

어떻게 세포들이 갑상선 호르몬의 양에 따라 파랑, 빨강, 녹색이 되는지를 이해함으로써 연구팀은 그 결과를 조종할 수 있었고, 망막이 완전한 인체 눈의 일부일 때 파랑이나 빨강, 녹색 만을 볼 수 있었을 망막을 창출했다.

 

갑상선 호르몬이 빨강-녹색 원뿔체 형성에 필수적이라는 발견은 조산아들의 시력 장애율이 높은 것에 대한 통찰력을 제공해 준다. 조산아들은 모체로부터의 공급 부족으로 갑상선 호르몬 수치가 낮다.

 

배양 접시에서 자라는 망막조직을 모니터로 확인하는 모습.  CREDIT: Len Turner and Dave Schmelick/JHU

 

배양 접시에서 자라는 망막조직을 모니터로 확인하는 모습. CREDIT: Len Turner and Dave Schmelick/JHU

 

오가노이드 성장, 인간처럼 아홉 달 걸려”

 

엘드레드 연구원은 “세포가 최종적으로 어느 기관으로 분화될 지의 운명에 답할 수 있다면 광수용체 손상 환자들의 색감을 회복시키는데 가까이 다가갈 수 있다”며, “과연 우리가 색을 볼 수 있게 해주는 것은 무엇인가 하는 질문은 시각적으로나 지적으로 멋진 물음”이라고 말했다.

 

이번 연구 결과들은 실험실 연구에서의 첫 단계다. 연구팀은 앞으로 오가노이드를 활용해 컬러 비전과, 황반 같은 다른 각막 부분 생성과 관련된 메커니즘에 대해 더 많은 것을 탐구할 예정이다.

 

황반 변성은 실명의 주요 원인 중 하나이기 때문에 새로운 황반을 성장시킬 수 있는 방법을 알면 임상 치료로 이어질 수 있다.

 

존스턴 교수는 “이 연구가 흥미로운 것은 우리가 작업을 통해 인체 발달 메커니즘을 연구할 수 있는 인체 오가노이드 모델 시스템을 확립한다는 점”이라고 말했다.

 

그는 “여기에서 실제로 매우 힘든 일은 이 오가노이드들이 인간의 아기처럼 발달하는데 아홉달이나 걸린다는 것”이라며, “따라서 우리가 실제로 연구하는 것은 태아 발달”이라고 밝혔다.

 

김병희 객원기자 hanbit7@gmail.com
저작권자 2018.10.12 ⓒ ScienceTimes

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선천성 실명인 동물의 망막에 있는 지지 세포를 광수용체로 바꿔 시각회로를 회복시키는데 성공했다.

 

미국 국립보건원(NIH) 산하 국립안연구소(National Eye Institute; NEI)의 연구 지원을 받은 마운트 사이나이의대 연구진은 날 때부터 실명인 쥐의 망막 안 ‘뮐러 신경교 세포(Müller glia)’를 유전자를 이용해 막대 광수용체(간상체)로 분화시켜 아무런 망막 손상 없이 시각 회로를 생성시켰다고 과학저널 ‘네이처’(Nature) 15일자 온라인판에 발표했다.

 

이에 따라 앞으로 노화 관련 황반변성과 색소성 망막염 같은 실명 위험이 높은 질병에 대한 재생의학적 치료가 새로운 진전을 이룰 것으로 기대되고 있다.

연구를 주도한 보 첸(Bo Chen) 마운트 사이나이의대 안과 부교수 겸 시각 줄기세포 프로그램 책임자는 “이번 연구는 약이나 침습적인 과정이 아닌 자기 교정(self-repair)을 필요로 하는 환자들에게 가능성 있는 치료법을 제시하기 위한 첫 단계”라고 말했다.

 

광수용체 처음 재프로그래밍에 성공

 

NEI의 망막 신경과학 프로그램 책임자인 토머스 그린웰(Thomas N. Greenwell) 박사는 이 연구에 대해 “포유동물에서 뮐러 신경교 세포를 기능성 막대 광수용체로 재프로그래밍한 최초의 연구보고”라고 밝혔다.

그는 “막대 모양의 망막 간상체(rods)는 낮은 조명 아래서도 볼 수 있게 하는 역할을 하지만, 원색을 선명하게 보는데 중요한 원뿔 광수용체의 보존에도 도움을 준다”며, “눈의 망막 중심부에 있는 원뿔체(추상체)는 질병 말기에 사멸하는 경향이 있어 만약 망막 간상체가 눈 안에서 재생될 수 있다면 광수용체에 문제를 일으키는 질병을 치료할 수 있는 새로운 전략이 될 것”이라고 설명했다.

 

뮐러 신경교 세포 유래 막대 광수용체(간상체) 이미지를 눈 모양과 합성한 그림. 이 새로 형성된 광수용체는 실제의 광수용체와 같고, 망막과 뇌에 이르는 시각 경로 회로에 통합됐다.  CREDIT: Bo Chen, Ph.D.

뮐러 신경교 세포 유래 막대 광수용체(간상체) 이미지를 눈 모양과 합성한 그림. 이 새로 형성된 광수용체는 실제의 광수용체와 같고, 망막과 뇌에 이르는 시각 경로 회로에 통합됐다. CREDIT: Bo Chen, Ph.D.

 

광수용체(photoreceptors)는 안구 뒤쪽의 망막에 있는 감광 세포들로, 이 수용체가 활성화되면 뇌로 신호를 보낸다. 쥐나 사람을 비롯한 포유동물에서 광수용체는 스스로 재생되지 못 한다. 대부분의 신경세포들처럼 일단 성숙하면 분화되지 않는 것이다.

 

지금까지는 분화 성공했어도 조직 손상이 걸림돌

 

과학자들은 오랫동안 뮐러 신경교세포의 재생 가능성에 대해 연구해 왔다. 왜냐 하면 제브라피쉬같은 다른 동물들에서는 망막에 있는 광수용체가 손상돼 보지 못하게 되면 여기에 반응해 뮐러 신경교세포가 광수용체나 다른 망막 신경세포로 분화되기 때문이다.

 

따라서 제브라피쉬는 심각한 망막 손상을 입은 뒤에도 시력을 다시 회복할 수 있다. 과학자들도 그동안 실험실에서 포유류의 뮐러 신경교세포를 제브라피쉬에서처럼 분화되도록 유도할 수는 있었으나 조직에 손상을 입혀야 했다.

 

첸 교수는 “실제적인 관점에서 보면, 시력을 회복시키기 위해 망막을 재생하려고 할 때 뮐러 신경교세포를 활성화시킨다고 망막을 손상시킨다면 오히려 역효과를 낳는 꼴”이라며, “때문에 우리는 살아있는 실험 쥐에서 망막을 손상시키지 않고 뮐러 신경교세포를 막대 광수용체로 프로그램할 수 있는지 여부를 확인하려고 했다”고 밝혔다.

 

분화 유전자와 유도인자 주입

 

첸 교수팀은 두 단계의 재프로그래밍 과정 가운데 첫 단계에서 정상적인 쥐의 눈에 베타-카테닌(beta-catenin) 단백질을 활성화시키는 유전자를 주입해 뮐러 신경교세포가 분화하도록 자극했다. 그리고 몇 주 뒤 다시 쥐의 눈에 새로 분화된 세포들이 막대 광수용체로 발달되도록 유도하는 인자들을 주입했다.

 

망막에 있는 세 가지 유형의 감광성 세포 중 두 가지인 간상체(rods)와 원뿔체(cones)의 기능적 부분들.  Credit: Wikimedia Commons / OpenStax College

망막에 있는 세 가지 유형의 감광성 세포 중 두 가지인 간상체(rods)와 원뿔체(cones)의 기능적 부분들. Credit: Wikimedia Commons / OpenStax College

 

현미경으로 새로 형성된 세포들을 추적 관찰한 결과 연구팀은 새로 형성된 광수용체들이 구조적으로 실제의 광수용체와 아무런 차이점이 없다는 사실을 발견했다. 아울러 이 망막 간상체가 망막 안 다른 유형의 뉴런들과 통신하도록 하는 시냅스 구조가 형성된 것도 확인했다.

 

연구팀은 뮐러 신경교세포 유래 막대 광수용체가 기능성을 지니고 있는지의 여부를 확인하기 위해 기능성 막대 광수용체 없이 태어난 선천성 실명인 쥐에게 이 치료법을 테스트했다.

 

명한 쥐, 시각회로 형성 확인돼

치료를 받은 선천성 실명 쥐들에게서 뮐러 신경교세포 유래 막대 광수용체들은 정상적인 쥐에서 실험했던 것과 똑같이 효과적으로 발달됐다. 연구팀은 새로 형성된 광수용체들이 기능적으로 시냅스를 통해 다른 유형의 망막 뉴런들과 통신한다는 사실을 확인했다.

 

또한 광수용체 신호를 뇌로 전달하는 뉴런인 망막 신경절 세포들로부터 기록된 빛 반응과 두뇌 활동 측정치를 살펴본 결과, 새로 형성된 막대 광수용체들은 망막에서 뇌의 1차 시각 피질까지 연결되는 시각 통로 회로에 실제로 통합돼 있는 것을 확인할 수 있었다.

 

첸 교수 연구실에서는 현재 쥐가 수조 안에서 헤엄치며 도피대를 찾아야 하는 수중미로 과업 같은 시각적 과업을 수행할 수 있는 능력을 되찾았는지를 확인하기 위한 행동연구를 수행하고 있다.

 

이와 함께 이 기술이 배양된 인체 망막조직에서도 효과를 나타내는지를 확인해 볼 계획이다.

 

김병희 객원기자 hanbit7@gmail.com

 

 

 

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