뇌 질환은 의학 연구에서 매우 오래된 난제이지만, 그동안의 실험은 주로 동물 모델이나 단순화된 세포 배양에 의존해 왔다. 그러나 인간 뇌의 복잡한 발달 과정과 질환 특이적 변화를 온전히 설명하기에는 분명한 한계가 존재한다. 바로 이 지점에서 인간 유래 줄기세포 기반 뇌 오가노이드*가 새로운 연구 대안으로 주목받고 있다. 환자의 세포로부터 만들어진 오가노이드는 인간 뇌 발달과 질병을 실험실에서 직접 관찰하고 분석할 수 있는 거의 유일한 환자 맞춤형 모델이기 때문이다.

이러한 연구 흐름 속에서 박종찬 교수의 FOBL(Functional Organoid-based Biometabolism Laboratory)은 오가노이드를 단순한 기술 트렌드가 아닌, 뇌 질환의 근본적인 기전을 파고들기 위한 연구 도구로 활용하고 있다. 줄기세포 생물학에 대한 깊은 이해를 바탕으로, 인간 뇌를 더욱 정밀하게 모사하고자 하는 이들의 연구는 오가노이드 연구가 왜 지금, 그리고 앞으로도 중요한지를 보여준다. 이번 연구실 탐방에서는 연구 방향과 연구실 문화, 그리고 줄기세포 기반 뇌 연구의 본질에 관한 이야기를 들어본다.

* 오가노이드(organoid): 인간의 줄기세포로부터 생성된 장기 유사체. 장기를 뜻하는 ‘organ’과 유사함을 뜻하는 접미사 ‘-oid’를 결합해 만든 신조어다.

| 연구실 소개 부탁드립니다.

안녕하세요. 성균관대학교 생명물리학과 박종찬입니다. 저희 연구실명은 Functional Organoid-based Biometabolism Laboratory의 약자로 FOBL이라고 부르고 있으며, 이는 동시에 For Our Better Life라는 의미도 담고 있습니다. 뇌 오가노이드를 실제 연구에 적용함으로써 생명과학 연구의 실질적인 발전에 이바지하고, 더 나은 삶으로 이어질 수 있는 연구를 수행하겠다는 취지에서 이름을 붙이게 되었습니다.

| 연구실의 대표적인 연구 활동을 소개해 주세요.

뇌 오가노이드 기반의 생체 대사 연구를 중심으로 퇴행성 뇌 질환의 치료제 개발과 약물 평가, 발병 기전 규명을 목표로 연구를 수행하고 있습니다. 환자 유래 혈액으로부터 역분화 줄기세포(이하 iPSC)를 제작한 뒤 이를 바탕으로 뇌 오가노이드를 형성해, 알츠하이머병·파킨슨병·루게릭병 등 퇴행성 신경질환 극복을 위한 연구를 진행하고 있습니다.

또한 줄기세포학회, 퇴행성신경질환학회, 뇌신경과학회, 생체재료학회, 생화학·분자세포생물학회 등 다양한 학회 활동에 적극 참여하여 학문적인 소양도 함께 넓히고 있으며, 뇌 오가노이드를 활용한 약효 평가 및 관련 용역 연구도 함께 수행하고 있습니다. 궁극적으로는 뇌 오가노이드를 통해 인류의 삶에 실질적으로 기여할 수 있는 연구를 목표로 하고 있습니다.

* 역분화 줄기세포(iPSC, induced Pluripotent Stem Cell): 이미 분화가 끝난 성체 세포를 인위적으로 초기 미분화 상태로 역분화시킨 것으로, ‘유도만능줄기세포’라고도 불린다. 배아줄기세포와 유사하게 다양한 종류의 세포로 분화할 수 있는 능력을 지녀, 질병 연구와 치료제 개발에 널리 활용되고 있다.

| 연구는 어떤 과정과 방법을 통해 진행되나요?

연구는 기본적으로 환자 유래 역분화 줄기세포를 기반으로 시작됩니다. 먼저 채혈을 통해 환자의 혈액을 확보한 뒤, PBMC*를 분리 및 수집합니다. 이를 이용해 iPSC를 제작하고, 해당 줄기세포로부터 뇌 오가노이드를 비롯해 iPSC에서 파생된 다양한 특정 세포 타입을 분화시킵니다. 이후 이러한 세포와 오가노이드를 활용해 인간을 기반으로 한 인비트로* 모델에서 다양한 실험을 수행합니다.

특히 단순히 대뇌피질 오가노이드 제작에 그치는 것이 아니라, 중뇌·후뇌·락총* 등 다양한 영역별 뇌 오가노이드와 미세아교세포와 같은 면역세포를 함께 배양함으로써 면역 기능이 포함된 고도화된 오가노이드, 혹은 여러 영역이 연결된 뇌 어셈블로이드*(brain assembloid)까지 폭넓은 기술들로 뇌 오가노이드를 제작하고 있습니다. 이를 통해 기존 연구를 보완하고, 보다 정교한 질병 모델링과 기전 연구를 진행하고 있습니다.

* PBMC(말초 혈액 단핵세포, Peripheral Blood Mononuclear Cell): 둥근 핵을 가진 말초혈액 세포로, 림프구(T세포, B세포, NK세포)와 단핵구, 수지상세포, 줄기세포 등으로 구성된다.

* 인비트로(in vitro): 살아 있는 생명체 내부가 아닌, 시험관 등 통제된 인공 환경에서 수행되는 실험

* 맥락총(맥락얼기, choroid plexus): 뇌실막 세포층으로 둘러싸인 혈관성 조직으로, 뇌척수액을 생성하고 뇌실로 분비한다.

* 어셈블로이드: 여러 오가노이드를 조합해 만든 구조로, 합친다는 뜻을 가진 ‘assemble’과 접미사 ‘-oid’를 결합해 만든 신조어다.

| 연구실에서 이루어진 연구의 활용 사례와 향후 비전이 궁금합니다.

먼저, 인간 유래 뇌 오가노이드를 활용해 동물 모델의 한계를 보완하는 연구를 수행하고 있습니다. 인간 뇌의 구조와 기능을 더욱 정교하게 모사함으로써, 기존 동물 실험으로는 확인하기 어려운 인간 특이적 질병 기전을 규명하는 데 이바지하고 있습니다. 특히 인간 표본에서만 관찰할 수 있는 신경퇴행성 질환 관련 기전 연구에서 오가노이드 모델이 핵심적인 역할을 하고 있습니다.

또한 오가노이드는 줄기세포에서 뇌 조직까지 단계적으로 발달하는 특성을 보여, 뇌 발생과 발달 과정에서 나타나는 변화를 연구하는 데에도 활용되고 있습니다. 이를 통해 인체에서는 직접 관찰하기 어려운 발생학적 과정들을 체계적으로 분석할 수 있습니다.

아울러 오가노이드는 약물 평가와 치료제 개발 분야로도 확장되고 있습니다. 최근 FDA를 비롯한 규제 기관에서 동물 대체 시험법을 점차 권장하면서, 인간 유래 모델을 기반으로 약효를 검증할 수 있는 오가노이드 기반 평가에 대한 관심도 빠르게 증가하고 있습니다. 이에 따라 오가노이드를 활용한 약효 평가 및 상용화 단계의 품질 검증 연구가 유망한 분야로 주목받고 있습니다.

이러한 흐름 속에서 뇌 오가노이드의 기술적 완성도를 지속적으로 고도화하는 동시에, 실제 연구 및 산업 현장에서 활용 가능한 모델 개발을 장기적인 목표로 삼고 있습니다. 이를 통해 기초 연구와 응용 연구를 연결하는 연구 플랫폼으로 발전해 나가고자 합니다.

| 연구실만의 자랑거리는 무엇인가요?

가장 큰 강점은 오가노이드 연구 중에서도 ‘뇌’에 특화된 연구를 수행하고 있다는 점입니다. 전뇌, 중뇌, 후뇌, 맥락총, 척수 등 중추신경의 다양한 영역을 아우르는 오가노이드를 구축함으로써, 뇌 조직에 집중해 기능적·구조적으로 다양한 영역을 포괄적으로 구현하는 것을 연구의 핵심 목표로 삼고 있습니다. 이처럼 뇌에 특화된 오가노이드 연구를 일관되게 수행하고 있다는 점이 FOBL만의 차별화된 강점이라고 생각합니다. 특히 뇌 오가노이드를 활용한 퇴행성 뇌 질환 연구 분야에서는 선도적인 연구를 수행하고 있습니다.

또한 FOBL 연구실은 오가노이드를 단순한 약효 평가나 플랫폼으로 활용하는 수준에 머무르지 않고, 심층적인 기전 연구로 확장하고 있다는 점에서도 강점을 지니고 있습니다. 생명과학적 배경을 바탕으로 오가노이드를 활용해 뇌 질환의 발생 원인과 작동 메커니즘을 깊이 있게 분석하며, 이를 통해 기초 연구와 응용 연구를 유기적으로 연결하는 연구를 수행하고 있습니다.

| 연구실에 들어가기 위해 필요한 자격이나 능력이 있나요? 어떤 학생이 연구실에 오면 좋을까요?

FOBL은 다양한 배경을 가진 학생들에게 열려있기에, 특정 전공이나 지식을 필수로 요구하지는 않습니다. 다만 가장 중요하게 보는 기준은 단 하나, ‘정말로 연구를 하고 싶은가?’입니다.

대학원 생활은 실험과 연구가 일상의 중심이 되는 과정이기 때문에, 성실함과 책임감, 그리고 연구 환경 속에서 자신을 잘 관리할 수 있는 기본적인 태도가 필요합니다. 특히 세포 배양을 포함한 실험 특성상 연구 일정이 유동적인 경우가 많아, 이러한 연구 생활을 충분히 이해하고 받아들일 수 있는 마음가짐이 중요합니다.

무엇보다 연구 과정에서는 누구나 슬럼프를 겪기 마련이지만, 연구 자체에 대한 분명한 동기와 의지가 있다면 그 과정을 끝까지 버텨낼 수 있다고 생각합니다. FOBL은 바로 그런, 연구에 진정한 관심과 열의를 가진 학생과 함께하고자 합니다.

인간 뇌를 보다 정밀하게 이해하기 위한 방법을 꾸준히 고민해 온 박종찬 교수는 줄기세포 생물학과 신경과학을 기반으로 iPSC 및 뇌 오가노이드 연구를 수행해 왔다. 인간 유래 세포를 활용한 뇌 모델링 연구의 학문적 가치와 잠재력을 인정받아, 그는 한국뇌신경과학회 2025년 제14회 싸이텍코리아 젊은과학자상을 수상했다.

박종찬 교수, 한국뇌신경과학회 2025년 제14회 싸이텍코리아 젊은과학자상 수상

▲ 박종찬 교수

| 교수님께서 iPSC 및 뇌 오가노이드 연구를 하시게 된 계기와 배경이 궁금합니다.

2017년, 저 역시 많은 대학원생처럼 앞으로 어떤 연구를 해야 할지, 연구 주제를 어떻게 확장해 나갈지에 대해 고민이 많았습니다. 당시 수행하던 BBB(Blood-Brain Barrier, 혈액-뇌 장벽) 연구 및 혈액 바이오마커 연구만으로는 제 연구적 기술이나 방향성이 다소 제한적일 수 있다는 생각도 들었습니다.

그 과정에서 지도교수이신 서울대학교 의과대학 묵인희 교수님과의 논의를 통해 처음으로 뇌 오가노이드 연구를 접하게 되었습니다. 대학원 과정 동안 혈액을 다루는 연구를 오래 해왔고, PBMC를 추출하고 활용한 경험도 충분히 있었기에 혈액 유래 세포로부터 iPSC를 제작하고 이를 뇌 오가노이드로 분화시키는 연구가 제 연구 배경과 잘 맞는다고 판단했습니다. 특히 ‘혈액에서 뇌를 만들 수 있다’라는 가능성에 매료되어 본격적으로 뇌 오가노이드 연구를 시작하였습니다.

마침, 2018년경 뇌 오가노이드를 주제로 한 국내 최초의 정부 국책 과제에 저희 실험실이 선정되었고, 관련 실험을 본격화하면서 역분화줄기세포 기반 뇌 오가노이드 연구를 실험실에 세팅하는 데 주도적으로 이바지했던 기억이 납니다. 당시 국내에는 혈액 유래 iPSC로 뇌 오가노이드를 연구하는 사례가 많지 않았기 때문에 연구자로서 의미 있는 도전이자 제 연구 생활의 중요한 전환점이 되었다고 생각합니다.

| iPSC 기반 뇌 오가노이드는 기존의 2D 세포 배양이나 동물 모델과 비교했을 때 어떤 장점과 한계를 가지나요?

2D 세포 배양과 비교했을 때, iPSC 기반 뇌 오가노이드는 3차원 구조를 통해 실제 뇌와 유사한 신경 네트워크를 형성한다는 점에서 큰 장점을 가집니다. 2D와 3D 배양 세포는 전사체 수준에서 뚜렷한 차이를 보이며, 오가노이드는 인간 뇌에 훨씬 가까운 유전자 발현 양상을 나타냅니다.

동물 모델과 비교했을 때는 인간에 대한 모사율이 높다는 점이 가장 큰 장점입니다. 특히 살아 있는 환자의 세포로부터 오가노이드를 제작할 수 있어, 환자 특이적인 질병 기전 연구와 정밀의학적 치료제 개발에 활용할 수 있습니다.

반면, 오가노이드는 혈관이나 면역계 등 복합적인 전신 생리 시스템을 완전히 재현하기 어렵다는 한계도 존재합니다. 이를 보완하기 위해 최근에는 인간 오가노이드를 동물에 이식해 생리적 환경과 결합하는 연구가 활발히 진행되고 있으며, 실제로 오가노이드 주변의 동물 세포가 인간 조직의 영향을 받아 전사체 수준에서 변화하는 현상도 보고되고 있습니다. 그뿐만 아니라 오가노이드를 microfluidics chip과 연계한 오가노이드-온어-칩 연구를 통해서 생리 시스템을 보다 더 가깝게 구현하려는 시도도 함께 이루어지고 있습니다.

아울러 인비트로 환경에서 오가노이드의 크기가 커질 경우 내부 괴사가 발생할 수 있다는 한계가 있습니다. 이를 극복하기 위해 혈관, 면역계, 척수 등 다양한 기관과의 융합 연구가 필요하며, 앞으로 오가노이드 연구가 해결해야 할 중요한 과제라고 생각합니다.

| 줄기세포 기반 뇌 오가노이드 연구를 꿈꾸는 학생이나 젊은 연구자들에게 전하고 싶은 조언이나 메시지가 있다면 들려주세요.

최근 오가노이드 연구가 활발해지면서 학생들이 줄기세포 연구와 오가노이드 연구를 곧바로 동일시하는 경우가 많은데, 이 두 영역은 구분해서 생각할 필요가 있다고 말씀드리고 싶습니다. 줄기세포를 활용한 오가노이드 연구도 매우 중요한 연구이지만, 줄기세포 치료제나 이식 연구, 역노화 연구, 재생의학 연구 등 오가노이드와는 독립적으로 발전해야 할 연구 방향도 분명히 존재합니다. 줄기세포 연구를 하고자 한다면, 오가노이드라는 추세에만 국한되지 않고 줄기세포 분야 전반의 다양한 연구 흐름을 이해하는 시야가 필요하다고 생각합니다.

또한 오가노이드 연구를 선택하더라도, 단순히 3차원 구조를 구현하는 데 그치기보다는 이를 통해 뇌를 얼마나 깊이 이해할 수 있는지가 더 중요하다고 봅니다. 발생 과정, 질병 모델링, 약물 작용 기전 등 근본적인 질문에 답하려는 기전 연구가 충분히 축적되어야 합니다.

마지막으로, 최근에는 오가노이드를 활용한 독성 평가나 동물 실험 대체 등 응용 연구가 주목받고 있지만, 상용화 가능성만을 좇기보다는 기초·기전 연구를 탄탄히 다지는 것이 결국 분야 전체의 지속적인 성장을 이끈다고 생각합니다. 줄기세포 연구와 오가노이드 연구 모두에서 이러한 균형을 고민하는 연구자들이 더 많아지기를 바랍니다.

다음으로, 본 연구실 이태훈 원우를 만나 연구원의 관점에서 FOBL 생활을 물어봤다.

▲ 이태훈 원우

| 연구원의 관점에서 연구실 자랑 부탁드립니다.

저희 연구실의 가장 큰 자랑은 연구실을 이끌고 계신 박종찬 교수님입니다. 학생들 사이에서는 교수님을 농담처럼 ‘단 하나의 태양’, ‘유니콘’으로 부르기도 합니다. 단순히 훌륭한 연구자를 넘어 인성과 연구 역량, 통찰력, 추진력, 그리고 학생을 대하는 태도까지 모두 균형을 이룬, 말 그대로 ‘꽉 찬 육각형’의 교수님이시기 때문입니다.

교수님께서는 학생 개개인의 열정과 연구에 대한 태도를 중요하게 보시며, 그런 기준을 바탕으로 연구실 구성원이 모이다 보니 학생 간 분위기도 매우 좋습니다. 서로 경쟁하기보다는 의기투합하며 문제를 해결해 나가는 문화가 자리 잡혀 있습니다. 전반적으로 수직적인 분위기보다는 자유롭게 소통하면서도 연구에 집중할 수 있는 환경이라는 점이 가장 큰 장점입니다.

| 연구원으로서 생활하면서 가장 좋았던 기억을 소개해 주세요.

기억에 남는 순간은 정말 많지만, 논문 작업과 관련된 순간이 가장 크게 다가왔습니다. 논문 작성이 짧게는 몇 개월, 길게는 몇 년에 걸쳐 진행되는 과정이기에 시간이 길어질수록 부담과 스트레스도 커질 수밖에 없습니다. 그럴 때마다 교수님께서 매년 송년회를 열어 한 해의 노고를 돌아보며 연구원들에게 상을 수여해 주십니다. 우수상이나 논문상처럼 이름도 재미있고 의미 있는 상들이 많은데, 지난해 송년회에서 제가 ‘우수상’을 받았던 순간이 특히 기억에 남습니다.

논문 작업으로 지치고 힘들었던 시기였던 만큼, 그동안의 노력을 인정받고 ‘잘하고 있다’라고 격려받는 느낌이 들어 큰 힘이 되었습니다. 연구 과정이 쉽지는 않지만, 이러한 진심 어린 응원이 연구원 생활을 이어갈 수 있는 큰 힘이 되었습니다.

| 연구자의 길을 고민하거나 꿈꾸는 후배들에게 하고 싶은 조언이 있으신가요?

연구자의 길을 갈지 고민하고 있다면, 충분한 시간을 갖고 신중하게 생각해 보라고 말씀드리고 싶습니다. 연구는 단기간의 선택이 아니라, 평생 이어질 수도 있는 삶의 방향이기 때문에 조급함이나 주변의 기대에 떠밀려 결정하기보다는 스스로 확신이 설 때까지 고민하는 과정이 필요합니다. 막연한 불안이나 두려움이 있다면, 인턴이나 연구 참여 등 작은 경험을 통해 직접 확인해 보는 것도 좋은 방법입니다. 그리고 결심이 선 이후에 시작해도 결코 늦지 않습니다. 오히려 충분히 고민한 끝에 내린 선택은 더 오래, 더 단단하게 이어질 가능성이 크다고 믿습니다.

이미 연구자의 길을 목표로 정하고 준비하는 분들께는, 연구 역량만큼이나 사람과 함께 일하는 능력도 중요하다는 점을 전하고 싶습니다. 연구는 혼자서 완성하는 일이 아니라, 지도교수와 동료 연구자와의 협업 속에서 완성되는 과정이기 때문입니다. 자신의 생각을 분명하게 표현하는 힘, 다른 사람의 이야기를 끝까지 들어주는 태도, 서로 다른 의견을 존중하며 조율하는 경험은 연구자로서의 깊이를 더욱 단단하게 만들어줍니다. 학업과 연구에 집중하는 것도 중요하지만, 특히 20대에는 연구실 안팎에서 다양한 사람을 만나고 세상을 경험해 보는 시간이 큰 자산이 됩니다. 그런 경험들이 결국 더 넓은 시야와 따뜻한 시선을 가진 연구자로 성장하는 데 도움을 줄 것이라고 생각합니다.

* 연구실 관련 정보

박종찬 교수

성균관대학교 성균융합원 - 생명물리학과

Tel: 031-299-4795

Email: jongchan@g.skku.edu

Office: N센터 7층 86713호실

Lab Website: https://foblab.co.kr/