고해상도 뇌 시뮬레이션, 신경퇴행성 질환에서 감염성 씨앗 확산 경로 규명

• 새 모델은 감염성 씨앗이 뇌의 고르지 않은 구조를 통해 어떻게 확산되는지 조사합니다.
• 연구자들은 성인 뇌의 MRI 스캔을 사용해 2D 및 3D 고해상도 시뮬레이션을 생성했습니다.
• 이 시뮬레이션들은 수많은 신경퇴행성 장애에서 관찰되는 손상 패턴을 재현합니다.

나이와 관련된 신경퇴행성 질환은 다면적이고 복잡한 병리입니다. 대부분의 경우 그 진행은 프리온으로 알려진 특정 단백질 응집체의 진행과 밀접하게 관련되어 있습니다.

프리온은 단백질 응집과 잘못된 접힘의 연쇄 반응을 유발하는 감염성 씨앗으로, 입체 자가 촉매를 생성합니다. 점차적으로 이 씨앗들은 확장되고 파편화되어 뇌의 다른 영역으로 퍼집니다. 이는 신경계의 정상적인 기능에 영향을 미쳐 대뇌 위축, 괴사, 궁극적으로 사망을 초래합니다. 이는 파킨슨병, 알츠하이머병, ALS에서 정확히 일어나는 일입니다.

이제 스티븐스 공과대학, 스탠퍼드 대학, 옥스퍼드 대학의 연구자들이 이 감염성 씨앗이 뇌의 고르지 않은 구조를 통해 어떻게 확산되는지 조사하는 새로운 모델을 개발했습니다. 이 모델은 모든 질환에서 독성 분자의 분포가 이 분자들이 처음 나타난 위치에 의존함을 보여줍니다.

시뮬레이션에 따르면 뇌 손상은 주로 신체에 의해 물리적 충격으로 손상된 뇌 세포가 제거되면서 발생합니다. 저자들은 이 도구가 과학자들이 심각한 뇌 질환의 진행을 차단하는 데 도움이 될 것이라고 믿습니다.

모델은 생화학을 무시한다

많은 신경퇴행성 질환에서 초기 독성 분자는 불분명하지만, 이들은 특정 방식으로 잘못 접혀 스스로를 복제합니다. 질환은 잘못 접힌 단백질이 뇌 전체로 퍼져 덩어리와 섬유 형태로 응집되면서 진행됩니다.

이 새로운 모델은 생화학적 및 세포 기전을 무시하고 단순히 유해한 단백질의 전파와 증가라는 기본 과정만을 표현합니다.

세포 밖의 체액을 통해 이동하는 대신, 뇌의 독성 분자는 뉴런(신경 세포 네트워크)을 통해 이동합니다. 각 신경 세포는 핵과 다른 신경 세포로 전기 신호를 전달하는 축삭으로 구성됩니다. 축삭은 뇌 백질의 대부분을 차지하는 반면, 세포체에는 회백질의 대부분이 포함되어 있습니다.

참조: APS Physics | doi:10.1103/PhysRevLett.121.158101 | 옥스퍼드 대학

이 모델에서 독성 분자는 특정 속도로 축삭을 따라 확산되어 백질을 통해 이동합니다. 또한 세포외 영역으로도 확산되지만 훨씬 느린 속도입니다. 회백질에서는 이 분자들이 중간 속도로 등방성으로 확산됩니다. 새로운 영역으로 확산되면, 해당 영역에 존재하는 독성 단백질의 수에 따라 특정 속도로 자기 복제를 생성합니다.

뇌 내 독성 단백질 시뮬레이션

임상 데이터(위) vs 시뮬레이션(아래) | 화살표는 알츠하이머병에서 독성 단백질의 전파를 표시 | 출처: A. Goriely / 옥스퍼드 대학

2D 및 3D 고해상도 시뮬레이션을 생성하기 위해 저자들은 성인 뇌의 MRI 스캔을 사용했습니다. 2D 컴퓨터 시뮬레이션은 수직 단면(좌우 또는 전후)으로 수행되었고, 3D 시뮬레이션은 뇌 전체를 커버했습니다.

그런 다음 파킨슨병과 알츠하이머병 진행의 임상 데이터를 매핑했습니다. 이 데이터에 따르면 독성 단백질은 특정 위치에서 시작하여 특정 패턴으로 퍼집니다. 저자들은 이러한 초기 조건을 시뮬레이션에 입력했고, 시뮬레이션이 각 장애와 관련된 패턴을 정확하게 재현함을 발견했습니다.

참고: 장기 칩을 통해 얻은 인간 뇌의 전례 없는 시각

이 모델은 물리적 측면을 고려하여 과학자들이 생화학에 대해 더 많이 배울 수 있도록 도울 수 있습니다. 시뮬레이션은 확산이 신경퇴행성 장애 진행에 주요 역할을 함을 명확히 보여줍니다. 이는 미래의 학제 간 연구에 새로운 방향을 제시할 수 있습니다.