조현병·조울병, 뇌 신호가 뒤죽박죽…‘미니 뇌’ 오가노이드로 입증

美존스홉킨스대, ‘미니 뇌’로 이상 패턴 첫 규명
뇌 신호로만 정상인·환자 구별…정확도 83%
정밀 진단, 맞춤형 치료제 개발에 도움

애니 카투리아(Annie Kathuria) 존스홉킨스대 바이오의공학과 박사 연구실에서 만든 뇌 오가노이드. 다양한 색으로 표시된 뉴런이 신호를 주고받으며 복잡한 신경망을 형성하는 모습을 보여준다./Annie Kathuria

미국 연구진이 실험실에서 만든 뇌 오가노이드(미니 장기)를 통해 조현병과 조울병(양극성 장애) 환자의 뇌에서 신경세포가 어떻게 잘못 작동하는지 처음으로 밝혀냈다. 이번 연구는 정신질환의 정밀 진단과 맞춤형 치료제 개발에 새로운 단초가 될 전망이다.

애니 카투리아(Annie Kathuria) 미국 존스홉킨스대 바이오의공학과 교수 연구진은 “조현병·조울병 환자의 뇌 오가노이드에서는 뉴런(신경세포)이 신호를 주고받는 패턴이 정상인의 뇌와 확연히 다르다는 사실을 확인했다”고 국제 학술지 ‘APL 바이오엔지니어링(APL Bioengineering)’에 22일(현지 시각) 발표했다.

조현병과 조울병은 전 세계 수백만 명이 겪는 정신질환이지만, 지금까지 뚜렷한 원인이 알려지지 않아 진단이 어렵다. 환자들은 맞는 약을 찾기까지 평균 6~7개월이 걸리는 경우가 많다.

연구진은 정신질환 환자와 정상인의 혈액·피부 세포를 줄기세포로 되돌려 뇌 오가노이드를 제작했다. 이어 인공지능(AI) 알고리즘으로 뉴런의 전기 신호 패턴을 분석했다. 실제 뇌 속 뉴런은 미세한 전기 신호를 주고받으며 소통하는데, 연구진은 이 신호의 빈도, 간격, 강도 등 여러 지표를 측정했다.

그 결과, 정상인의 오가노이드에서는 뉴런의 전기 신호가 일정하게 나타났지만, 환자의 오가노이드에서는 뉴런이 전기 신호를 발사하는 시점과 간격이 불규칙하고 복잡하게 뒤섞여 있었다. 이 패턴을 AI로 분석한 결과, 정상인의 오가노이드와 환자의 오가노이드를 83%의 정확도로 구분했다.

카투리아 교수는 “조현병과 조울병은 파킨슨병처럼 뇌의 특정 부위가 망가지거나 효소가 없어져서 바로 진단할 수 있는 병이 아니다”라며 “하지만 오가노이드를 이용하면 환자가 어떤 병을 앓는지 구분할 수 있고, 어떤 약물이 어떤 농도로 가장 잘 듣는지도 실험할 수 있다”고 말했다.

현재 연구진은 존스홉킨스 의대 신경외과·정신의학과·신경과학 연구진과 함께 실제 환자 혈액 샘플을 모집하고 있으며, 다양한 약물 농도가 오가노이드의 전기 활동에 어떤 영향을 미치는지 연구하고 있다.

참고 자료

APL Bioengineering(2025), DOI: www.doi.org/10.1063/5.0250559

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