기초과학연구원(IBS) 혈관연구단 고규영 단장 (KAIST 의과학대학원 특훈교수) 연구팀이 치매 등 퇴행성 뇌질환을 유발하는 뇌 속의 노폐물이 뇌 밖으로 배출되는 주요경로(hotspot)를 세계 최초로 규명하였다.

연구진은 동물실험을 통해 뇌의 노폐물을 담은 뇌척수액*을 밖으로 배출하는 주요 통로가 뇌 하부에 위치한 뇌막 림프관이라는 사실을 밝히고, 나이가 들수록 뇌막 림프관의 기능이 떨어지는 것을 확인하였다.
  * 뇌척수액 : 뇌의 수액이라고도 불리며 뇌를 보호하고, 뇌에서 발생하는 노폐물을 배출시켜 중추신경계의 기능과 항상성 유지에 중요한 역할

 이번 연구는 뇌 하부 뇌막 림프관의 정확한 위치와 기능은 물론, 노화에 따른 변화를 규명한 것으로, 향후 치매를 포함한 퇴행성 뇌질환 연구에 새로운 이정표가 될 것으로 기대된다.

 과학기술정보통신부와 IBS는 이번 연구 성과가 네이처(Nature, IF 43.070) 誌 온라인 판에  7월 25일 새벽 2시(한국시간) 게재되었다고 밝혔다.

뇌에서는 대사활동의 부산물로 상당한 양의 노폐물이 생성되어 뇌척수액을 통해 중추신경계* 밖으로 배출되는데, 베타-아밀로이드, 타우 단백질과 같은 노폐물이 배출되지 않고 뇌에 축적되면 기억력 등 뇌 인지 기능이 저하되고, 치매 발병 확률이 높아진다.
  * 중추신경계 : 뇌와 척수를 말하며 동물의 신경계에서 가장 많은 부위를 차지하는 부분

뇌막 림프관은 딱딱한 머리뼈 속에서 다른 혈관들과 복잡하게 얽혀있어 정확한 관측이 어려워, 아직까지 뇌척수액의 정확한 주요 배출 경로가 밝혀지지 않았었다.

 연구진은 생쥐의 머리뼈를 얇게 박피하여 관찰력을 높이고, 뇌척수액에 형광물질을 주입하는 실험과 자기공명영상(MRI) 실험을 통해 뇌 상부와 하부 뇌막 림프관의 구조가 서로 다르며, 뇌 하부 뇌막 림프관이 뇌에 쌓인 노폐물 등을 밖으로 배출하는 주요 배수구 역할을 한다는 것을 처음으로 밝혔다.

 이어 노화 생쥐 모델의 뇌막 림프관의 구조와 기능을 규명하는 실험을 진행하여, 노화에 따라 뇌 하부 뇌막 림프관이 비정상적으로 붓고, 뇌척수액 배출기능이 저하되는 것을 확인하였다.

이번 연구는 뇌의 기능을 떨어뜨리고 질병을 유발하는 노폐물이 어떻게 뇌 밖으로 빠져나가는 지를 확인하고, 노화에 따른 구조와 기능 저하를 세계 최초로 규명하여, 뇌의 인지기능 저하, 치매 등 퇴행성 뇌질환 치료에 새로운 방향을 제시한 것으로 평가된다.

 고규영 단장은 “앞으로 뇌 하부 뇌막 림프관의 배수기능을 향상시키는 치료제를 개발하면 새로운 퇴행성 뇌질환 치료방법의 실마리를 제시할 수 있을 것”이라고 말했다.

연구 결과 개요 (논문의 주요 내용)

□ 논문명, 저자정보
  - 논문명 : Meningeal lymphatic vessels at the skull base drain cerebrospinal fluid
  - 저  자 : 안지훈 (제1저자, KAIST), 조현수 (공동제1저자, IBS), 김준희 (공동제1저자, KAIST), 김신흔 (KAIST), 함제석 (KAIST), 박인태 (IBS), 서상헌 (KAIST), 홍선표 (IBS), 송주혜 (IBS), 홍영권 (USC), 정용 (KAIST), 박성홍 (공동교신저자, KAIST), 고규영(교신저자, IBS, KAIST)

□ 연구 결과 개요

1. 연구의 필요성
  ○ 인간의 뇌는 활발한 대사활동을 함으로써 생성되는 대사산물을 뇌척수액을 통해 배출한다. 뇌척수액은 뇌의 노폐물 배출, 뇌의 구조 및 인지 기능 유지 등 우리 몸의 항상성 유지에 중요한 역할을 담당하고 있다.
  ○ 기존에는 뇌의 노폐물이 담긴 뇌척수액이 뇌 상부에 위치한 거미막융모(arachnoid villi)를 통해 정맥굴(혈관)으로 배출되는 것으로 이해되어 왔으나 그 통로가 너무 작아 다른 주요 배출 경로가 있을 것으로 추정되어 왔다.
  ○ 일반적으로 노화 시 뇌의 노폐물 배출 기능이 저하되어 비정상적인 단백질들이 뇌에 축적됨에 따라 치매와 같은 퇴행성 뇌질환의 발병 확률이 높아진다고 알려져 있다.
  ○ 뇌척수액을 통한 뇌의 노폐물 배출 기능이 중요함에도 불구하고, 정확한 주요 배출 경로와 노화 시 배출 기능이 저하되는 이유에 대해서는 알려져 있지 않았다.

 2. 연구 내용 
  ○ 먼저 연구진은 림프관 특이적으로 형광을 발현하는 생쥐 모델을 이용하여, 뇌를 감싸고 있는 뇌 상·하부 뇌막 림프관의 위치와 구조를 살펴보는 연구를 설계했다. 림프관 특이적으로 형광을 발현하는 생쥐(mouse) 모델에 추가적인 면역조직형광염색을 통해, 뇌막 림프관이 뇌에서의 위치에 따라 구조가 다름을 확인했다. 특히 구조적인 차이가 림프관의 기능적인 측면과 연관되어 있음을 확인했다. 즉, 뇌 하부에 위치한 뇌막 림프관이 뇌척수액을 배출하는 기능을 하는 데 적합한 구조물들을 갖고 있음을 발견했다.
  ○ 또한 쥐(rat) 모델의 뇌척수액에 조영제를 주입하여 조영 증강시키는 자기공명영상 실험을 통해, 뇌 하부 뇌막 림프관이 빠르고 현저하게 조영 증강됨과 조영 증강된 뇌척수액의 신호가 주로 뇌 하부를 통해 중추신경계 밖으로 배출됨을 확인했다.
  ○ 더 나아가 림프관 특이적으로 형광을 발현하는 생쥐(mouse) 모델의 뇌와 뇌척수액에 형광 물질을 주입하여 추가 실험을 진행한 결과, 형광물질을 포함한 뇌척수액이 주로 뇌 하부 뇌막 림프관을 통해서 중추신경계 밖으로 배출됨을 확인했다.
  ○ 마지막으로 노화 생쥐 모델을 추가로 분석한 결과, 노화 시 뇌 하부 림프관의 구조가 비정상적으로 비대 되어 있고 뇌막 림프관 내부 판막 구조가 망가져 있어, 뇌척수액을 배수하는 기능이 저하되어있음을 확인했다.

3. 연구 성과
  ○  이번 연구를 통해 150년 전 발견되고 4년 전에 재조명 받았지만, 그동안 기능적인 측면에 있어 그 구조와 의미를 정확하게 파악하지 못하고 있었던 뇌막 림프관에 대해 새롭게 정의하였다.
  ○ 본 연구는 뇌막 림프관이 어떻게 뇌의 노폐물을 배출하는 역할을 하는가에 대한 의문이 최근까지 지속적으로 제기되던 상황에서, 뇌에서의 위치에 따라 뇌막 림프관의 구조와 기능의 차이가 있음을 명확히 밝혀냈다. 뇌 하부 뇌막 림프관이 뇌의 노폐물을 담은 뇌척수액의 주요 배출 경로 (hotspot)임과 노화 시 이 배출 경로의 구조와 기능이 저하됨을 밝혔다.
  ○ 특히 노화 생쥐 모델에서 뇌 하부 뇌막 림프관의 구조와 노폐물 배출 기능이 현저하게 저하됨을 밝혀냈다. 노화됨에 따라 뇌에 노폐물이 축적되어 생기는 인지 기능 저하와 치매와 같은 퇴행성 뇌질환의 이해에 대한 새로운 이정표를 제시했다.

 4. 기대 효과
  ○ 뇌의 노폐물이 배출되는 정확한 경로와 뇌를 감싸는 뇌막 림프관의 구조와 기능을 연령에 따라 규명한 이번 연구는 노화와 관련된 인지 기능 저하 및 퇴행성 뇌질환의 차세대 신약 개발에 이론적 토대가 될 것으로 기대한다. 향후 뇌막 림프관을 표적으로 하여 뇌의 노폐물 배출 기능을 향상시킬 수 있는 치료제 개발 등 후속 연구가 이루어진다면 노화에 따라 불가피하게 발생하는 인지 기능 저하와 퇴행성 뇌질환으로 고통 받는 환자들의 삶의 질과 예후 개선에 크게 기여할 것으로 전망된다.

★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

  150년 전 발견된 인체의 뇌막에 존재하는 림프관은 주목받지 못하다가, 4년 전 재조명 받았지만 정확한 구조와 기능 및 노화와 관련된 역할에 대해서는 최근까지 논란이 지속되었다. 림프관은 장기별로 또 장기 내부에서 존재하는 위치별로 그 구조와 기능이 특화되어있기에, IBS 혈관 연구단의 연구진은 뇌막에 존재하는 림프관 또한 정확한 위치와 구조를 파악한다면 그 기능을 명확히 설명할 수 있을 것이라는 점에 주목해 연구를 시작했다. 림프관 특이적으로 형광을 발현하는 생쥐 모델을 사용하여 뇌막 림프관을 면역조직형광염색으로 분석해 보았을 때, 뇌 상부와 달리 뇌 하부에 있는 뇌막 림프관이 배수가 원활한 림프관 구조를 가지고 있음을 예상치 못하게 발견하면서 본격적인 연구가 시작되었다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

  IBS 혈관 연구단은 혈관 및 림프관과 관련된 다양한 연구들을 수행하고 있어 연구실 내 있던 림프관 관련 동물실험 모델들 중 림프관 특이적으로 형광을 발현하는 생쥐 모델을 이용해 연구를 전개했다. 특히 노화와 뇌막 림프관의 구조와 기능의 연관성을 분석하기 위해 젊은 생쥐, 중년 생쥐, 그리고 노화 생쥐 모델을 선정하여 실험을 진행하였다. 뇌막 림프관의 구조적인 차이가 기능적인 연관성이 있는지 명확하게 밝히기 위해 자기공명영상촬영 실험을 시행하였고 또한 형광물질주입을 이용한 기능 실험을 진행하여 뇌 하부 뇌막 림프관이 뇌와 뇌척수액의 주요 배출 경로임을 입증하였다. 자기공명영상촬영 등 연구단이 보유하지 않은 장비가 필요한 실험들도 있었다. 이는 카이스트 바이오뇌공학과와의 공동연구를 통해 수월하게 진행할 수 있었으며 도움을 준 모든 연구자들에게 고마움을 표한다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

  이번 연구의 핵심 분야인 뇌막 림프관의 정량적인 기능 규명에 대한 연구 경험이 본 연구단에 부족하여 연구 초반에는 깊은 연구가 쉽지 않았다. 하지만 IBS 및 KAIST 내외의 다양한 연구실의 경험이 많은 전문가와 동료 연구자들에게 많은 조언을 받고 도움을 받음으로써 이를 극복할 수 있었다. 특히 공동저자로 참여한 카이스트 바이오뇌공학과의 정용 교수님 및 박성홍 교수님과 각 연구실의 연구진들이 큰 도움을 주었다. 주변의 많은 동료 연구자들의 도움이 있어 처음 수행해 보는 다양한 실험과 연구임에도 빠른 시간 내 진전을 이룰 수 있었다. 이번 연구로 동료 연구자들과의 협력과 토론이 어려운 문제를 손쉽고 빠르게 해결하는 지름길이라는 것을 다시금 깨닫게 되었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

  기존에도 뇌막 림프관이 뇌의 노폐물을 배출하는 통로라는 보고가 있었으나 뇌막 림프관의 정확한 위치와 기능에 특화된 구조적인 특성에 대한 정보는 제한적이었다. 특히 이러한 불명확한 정보는 뇌막 림프관이 뇌척수액을 흡수하고 배출한다는 최근 가설에 대해 지속적인 의문을 갖게 하였다. 이번 연구는 뇌 하부에 있는 뇌막 림프관이 그 기능에 적합한 구조를 가지고 대부분의 뇌척수액을 배출하는 통로로서의 역할을 한다는 사실을 처음으로 밝혀 그동안 논란이 있던 뇌막 림프관의 구조와 기능에 대한 연구에 첫 발을 내딛었다고 생각한다. 특히 노화에서 뇌 하부에 있는 뇌막 림프관의 구조와 기능이 저하된다는 사실을 처음을 밝혀 그동안 알려져 있지 않던 뇌의 노폐물들이 어떻게 축적되고 퇴행성 뇌질환이 왜 발병하고 악화되는지에 대해 한층 더 깊게 이해하는 계기이자 이를 표적으로 치료에 적용할 가능성을 제시하였다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?

  뇌막 림프관이 뇌의 배출 경로로 작용하며 노화 과정 중에 이러한 기능이 저하된 다는 점은 상당히 흥미로워 노화 뿐만 아니라 치매를 비롯한 다양한 퇴행성 뇌질환 환자에서도 연구를 확장해 볼 계획이다. 가능하다면 뇌막 림프관의 기능을 표적으로 삼아 퇴행성 뇌질환 환자들의 치료에 적용하는 등 노화와 관련된 인지 기능 저하 환자들에게 큰 도움이 되고자 한다.

[그림 1] 뇌막 림프관의 위치와 연령에 따른 구조 변화 과정 모식도

그림 A는 뇌의 노폐물이 뇌를 감싸고 있는 뇌척수액을 통해 배출되며 뇌척수액은 뇌 하부 뇌막에 존재하는 림프관을 통해 중추신경계 바깥으로 배출된다는 모식도이다. 뇌막 림프관은 머리뼈 있는 구멍(두개골공)을 통해 바깥으로 연결되어 있으며 뇌 하부 뇌막 림프관은 손가락을 뻗친 모양의 풍부한 림프관 다발을 가지고 있고 내부에는 림프가 한 방향으로 흐를 수 있도록 하는 판막 구조(림프관 밸브)를 가지고 있다. 특히 림프관은 해부학적으로 뇌척수액과 매우 가까운 위치에 있으며, 물질의 흡수와 배출 기능에 유리한 구조적 특성을 갖고 있다. 연구진은 뇌의 노폐물을 포함하는 뇌척수액이 뇌 하부 뇌막 림프관을 통해 중추신경계 바깥으로 배출된다는 사실을 밝혔다.
그림 B는 뇌 하부 뇌막 림프관들이 노화에 따라 뇌척수액의 배출 기능이 저하됨을 나타낸 모식도이다. 머리뼈 내부 한정된 공간에서 뇌척수액의 배출이 저하됨에 따라 생기는 높은 압력에 대한 보상 기전으로, 노화 생쥐 모델에서 비정상적으로 증식하는 뇌 하부 뇌막 림프관을 보여준다.

[그림 2] 뇌척수액과 가깝게 위치한 뇌 하부 뇌막 림프관

뇌 하부에 위치한 뇌막 림프관이 머리뼈(두개골) 내 공간(A,B) 바로 밑에 위치해 있고, 많은 혈관이 분포해있는 정맥동(C) 근처와 머리뼈(두개골) 밖으로 배출될 때 이용되는 통로인 머리뼈 구멍(두개골공)(D) 주변에서도 림프관이 발달해 있다. 연구진은 림프관 특이적으로 형광을 발현하는 생쥐 모델에 면역조직형광염색을 한 후, 형광현미경으로 그 위치를 확인했다.

[그림 3] 노화에 따른 뇌 하부 뇌막 림프관의 기능 저하

그림 A는 젊은 생쥐, 중년 생쥐, 노화 생쥐 모델에서 뇌 하부 뇌막 림프관과 뇌막 림프관 내부에 존재하는 판막의 변화를 면역형광염색법을 이용하여 현미경으로 관찰하였다. 노화에 따라 뇌막 림프관의 구조가 망가지며(흰색 화살표), 뇌막 림프관의 판막에서 높게 발현되는 림프관 전사인자의 발현(녹색)이 감소됨을 확인할 수 있다.
그림 B는 젊은 생쥐와 노화 생쥐 모델을 이용하여 뇌막 림프관(초록색)의 모양과 이를 통해 배출되는 뇌척수액(빨간색)을 형광 현미경으로 관찰한 결과이다. 젊은 생쥐에 비해 노화 생쥐의 뇌막 림프관은 구불구불한 형태를 뛰며, 노화 생쥐에서 뇌막 림프관 내에서 관찰되는 뇌척수액이 더 적게 관찰됨을 알 수 있다(흰색 상자부위가 각각의 사진 왼쪽 위 모서리에 확대되어 있음).