AI가 조울증 걸린 완두콩 크기 '미니 뇌' 식별했다

미국 존스홉킨스대 연구팀, 치료약물 테스트 착수

뇌를 닮은 장기유사체인 ‘뇌 오가노이드’를 나타낸 이미지. 게티이미지뱅크 제공.

실험실에서 완두콩 크기로 키운 ‘미니 뇌’가 조현병과 양극성장애를 모사할 수 있다는 점이 확인됐다. 인공지능(AI)이 두 질환을 각각 모사한 미니 뇌의 차이점을 식별했다. AI가 식별한 차이점은 환자별 맞춤형 치료제를 찾을 때 도움이 될 것으로 기대된다. 

애니 카투리아 미국 존스홉킨스대 의공학과 교수 연구팀은 오가노이드(장기유사체)와 머신러닝 기술을 이용해 건강한 뇌와 건강하지 않은 뇌의 패턴을 식별하고 연구결과를 22일 미국물리학회가 발행하는 국제학술지 'APL 바이오엔지니어링'에 발표했다. 

조현병은 과거 ‘정신분열증’으로 불리던 사고장애다. 망상, 환각, 행동 이상 등이 발생하는 질환이다. 양극성장애는 기분장애의 일종이다. 기분이 좋은 조증 상태와 우울한 상태가 반복적으로 나타나며 ‘조울증’으로도 불린다. 

조현병과 양극성장애는 대표적인 정신질환이지만 아직 분자 수준에서의 기초적인 이해가 부족하다. 의사들이 임상적 판단을 중심으로 진단을 내리며 뚜렷한 치료법이 없다. 환자에게 다양한 약물을 적용해보는 시행착오를 거쳐 증상을 개선해나간다. 

연구팀은 줄기세포를 이용해 뇌와 유사한 구조 및 기능을 지닌 미니 뇌인 ‘뇌 오가노이드(장기 유사체)’를 만들고 조현병과 양극성장애에 대한 분자 수준에서의 이해를 높이는 연구를 진행했다. 

연구팀은 조현병 환자, 양극성장애 환자, 건강한 사람의 혈액세포와 피부세포를 줄기세포로 변환한 뒤 뇌 오가노이드를 개발했다. 연구팀이 개발한 뇌 오가노이드는 뇌의 전전두엽 피질에서 발견되는 다양한 신경세포와 신경세포를 둘러싼 절연체인 미엘린이 포함돼 있다. 

연구팀은 머신러닝 알고리즘을 이용해 건강한 오가노이드와 건강하지 않은 오가노이드에서 일어나는 신경세포 패턴을 식별하도록 했다. 

그 결과 머신러닝 알고리즘은 각 오가노이드가 조현병, 양극성장애, 정상 상태 중 어떤 상태에서 비롯된 오가노이드인지 83%의 정확도로 구분했다. 오가노이드에 전기충격을 가해 뇌 세포의 전기활동을 강화하자 정확도는 92%로 향상됐다. 환자 및 정상인에게 나타나는 고유한 전기생리학적 특성을 높은 정확도로 식별한 것이다. 
 
연구팀은 개발한 오가노이드를 이용해 약물 테스트도 시작했다. 존스홉킨스대 의대 소속 신경외과 교수, 정신과 교수, 신경학자들과 협력해 정신질환 환자의 혈액 샘플을 채취하고 오가노이드를 만든 뒤 다양한 약물 농도를 적용하고 있다. 연구팀은 약물 테스트를 통해 오가노이드 상태를 정상화하는 약물 농도를 찾는다면 임상시험을 시작할 수 있을 것이라고 설명했다.  

연구팀은 “의사들이 조현병이나 양극성장애 환자를 위한 적절한 약물을 찾는 데 6~7개월의 시간을 소비한다”며 “오가노이드를 통해 시행착오를 줄이면 재빨리 각 환자에 맞는 적절한 약물을 투여할 수 있게 될 것”이라고 말했다. 

<참고 자료> 
doi.org/10.1063/5.0250559

[문세영 기자 moon09@donga.com]