국가연구개발성과

연구보고서
오가노이드 기반 인간 뇌발달 4D 이미징 연구실 (Laboratory of 4D imaging for human brain development)

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등록번호 TRKO202500004074 발행년월 2024-08
발행기관명 가톨릭대학교 발행국가/사용언어 대한민국 /국문
발주기관 한국연구재단 과제관리(전문)기관 한국연구재단
키워드 뇌 오가노이드;대뇌발달;의생명 영상;고속스캐닝 현미경;고심도 생체 영상;딥러닝;이미지 개선;4D 데이터 정량분석;
brain organoid;cortical development;Biomedical imaging;high-speed scanning microscope;deep-tissue imaging;deep learning;computational imaging;4D data quantification;
초록
□ 연구개발 목표
인간 대뇌발달의 주요 세포인 신경세포와 사이신경세포, 별아교세포, 희소돌기아교세포 등 다양한 세포 유형 간 상호 발달을 대뇌 오가노이드로 모사하고, 이를 적응광학 고속스캐닝 현미경으로 4D 이미징 및 인공지능 기반 이미지 개선, 정량분석법 개발을 통해 복잡한 초기 뇌발달 과정을 시각화함으로써, 뇌발달의 생리학적 기전을 규명하고 뇌발달장애의 병인 기반 치료표적을 발굴하기 위한 기반을 마련함

□ 연구개발 내용
● 다종의 대뇌 오가노이드 제작: 흥분성 신경세포, 억제성 신경세포, 희소돌기아교세포가 포함된 대뇌 오가노이드를 제작하고, 이를 뇌발달 연구의 모델로 활용함.
● 고역가 바이러스를 이용한 형광 표지 및 검증: 오가노이드 내 주요 세포를 고역가 렌티바이러스 또는 아데노 연관 바이러스로 형광 표지하고, 이를 면역조직화학염색법으로 각 세포를 검증함.
● 다중파장 고속스캐닝 현미경 개발: 개발한 다중파장 선형 고속스캐닝 현미경 시스템은 초당 100장의 영상을 300 nm 해상도로 획득함으로써, 다양한 형광 표지 세포를 고해상도로 시각화하고 대면적 볼륨 이미징이 가능함.
● 4D 영상 속도 및 해상도 최적화: 압축센싱과 디컨볼루션 기법을 효율적으로 통합하여 이미징 속도를 크게 개선하고 1 um 수준의 공간 해상도를 획득함으로써, 광독성 없이 고해상도 대면적 볼륨 이미징이 가능함.
● 신경세포와 희소돌기아교세포 발달의 장기 추적: 정상 대뇌 오가노이드의 형광 표지 신경세포와 희소돌기아교세포 발달 과정을 약 두 달 간 광독성 없이 장기 추적하였음. 이를 통해 시간에 따른 인간 뇌발달 변화 및 각 세포 간의 상호작용을 추적 관찰함.
● 비표지 영상 기술 개발: 생쥐 뇌를 양성 대조군으로 활용하여 수초화된 세포를 표지할 수 있는 기술을 개발하였고, 희소돌기아교세포가 포함된 뇌 오가노이드에서도 비표지 영상 획득에 성공함.
● 뇌발달장애 기전 연구 및 딥러닝 기반 정량 분석법 개발: 뇌발달장애 환자의 말초혈액으로부터 유도만능줄기세포를 수립하고, 대뇌 오가노이드를 제작하여 정상에 비해 초기 뇌발달 이상을 확인하였고, 전사체 분석으로 신경줄기세포의 세포분열 및 사포사멸 관련 경로의 변화를 확인함. 뇌 오가노이드의 조직학적 분석 정확도를 높이기 위해 딥러닝 기반 정량 분석법을 개발하고 이를 활용하여 데이터 분석을 수행함.
● GCaMP 기반 뇌 오가노이드 신경세포 활성의 실시간 시각화 및 정량 분석: Light field 현미경과 산란행렬 분석, 적응광학 기술을 결합하여 빠른 속도로 변화하는 형광 표지 신경세포 칼슘 신호 활동 패턴을 시각화하고 이를 정량분석할 수 있는 기술을 개발하였음.

□ 활용 계획 및 기대 효과
● 고심도, 초고속, 고해상도, 비침습 광학기술 및 영상 정량분석법을 이용한, 오가노이드 기반 뇌발달 발생학적 원리를 제시하여 앞으로 뇌발달장애 기전 탐구를 비롯한 뇌과학 연구 전반에 중요한 초석을 마련할 수 있을 것으로 기대됨.
● 본 과제에서 개발하는 하드웨어와 소프트웨어가 융합된 새로운 4D 영상 획득 현미경은 다양한 종류의 오가노이드 조직 이미징에 범용적 사용이 가능할 것으로 기대되며, 더 나아가 살아있는 조직시료의 실시간 고해상도 심층 관찰이 필요한 광범위한 의생명융합 연구에 활용될 것으로 기대됨.
● 본 기술은 반도체 정밀 검사, 컴퓨터 비젼, 자율주행용 영상 처리 등 4차 산업에 파급이 큰 광공학 융합 기술로의 활용을 위한 기반 기술이 될 수 있음.
● 오가노이드 모델을 이용한 뇌발달 모사, 고역가 바이러스 제작 및 감염 등의 생물학적 기술 뿐만 아니라 딥러닝 기반 이미지 개선, 광공학을 이용한 비침습 정밀 영상 시스템 개발 등 다양한 분야의 협업을 추구하는 본 연구과제는 양질의 연구인력 양성에 도움이 될 것으로 기대되며, 우수 인력양성은 앞으로 국내 신경생물학, 의생명공학 및 인공지능 분야 연구에 크게 기여할 것으로 기대됨.

(출처 : 국문 요약문 2p)

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