알코올의 뇌세포 파괴…염색 없이 실시간으로 들여다본다

국내 연구진이 포함된 공동 연구팀이 살아있는 뇌 오가노이드(유사 장기)에서 염색 과정 없이 알코올의 신경독성을 실시간으로 정량 분석하는 데 성공했다.

3일(현지시간) 생명과학 분야 국제 학술지 '스몰(Small)'에 게재된 연구에 따르면, 연구팀은 '자외선 광음향 현미경(UV-PAM)' 기술을 이용해 알코올에 노출된 뇌 오가노이드의 세포핵이 심각하게 위축되는 현상을 포착했다.

자외선 광음향 현미경은 세포핵의 핵산이 특정 파장(266nm)의 자외선을 강하게 흡수하는 원리를 이용한다. 레이저를 쏘면 세포핵이 미세하게 열팽창하며 음향 신호를 방출하는데, 이를 초음파 센서로 감지해 3차원 영상으로 재구성하는 방식이다.

이 기술은 세포를 염색하거나 얇게 잘라내는 기존 방식과 달리, 살아있는 조직을 손상 없이 그대로 관찰할 수 있는 것이 가장 큰 장점이다. 연구팀은 이 기술의 정확도를 검증하기 위해 표준 형광 염색법(DAPI)과 비교했으며, 그 결과 위치 오차는 1마이크로미터 미만으로 매우 높은 정확도를 보였다.

연구팀은 알코올의 신경독성을 정량화하기 위해 96일간 배양한 뇌 오가노이드를 두 그룹으로 나눠, 한 그룹에만 5일 연속으로 에탄올을 처리했다. 그 결과, 알코올 처리군에서 평균 세포핵 면적이 약 50% 감소했으며 최대 직경과 원형도 역시 유의미하게 줄었다.

이러한 세포핵의 위축과 변형은 세포 사멸(apoptosis)의 직접적인 증거다. 연구팀은 후속 실험을 통해 알코올 처리군에서 세포 사멸과 DNA 손상 지표가 실제로 현저히 증가했음을 확인했다.

나아가 연구팀은 세포핵의 면적, 직경 등 형태학적 특징을 인공지능(AI)에 학습시켜 정상 세포와 알코올에 손상된 세포를 자동으로 구별하는 머신러닝 모델을 개발했다. 이 모델은 약 83.6%의 정확도로 두 그룹을 성공적으로 분류했다.

이번 연구는 자외선 광음향 현미경을 통해 살아있는 뇌 오가노이드의 단일 세포 수준 분석을 최초로 구현했다는 점에서 의미가 크다. 연구팀은 이 기술이 향후 신약 개발 과정에서 후보물질의 신경독성을 빠르고 정확하게 평가하는 새로운 플랫폼이 될 것으로 기대했다.