출처: https://medicalxpress.com/news/2018-08-recipe-regenerating-nerve-fibers-spinal.html

Neuroscientists at UCLA, Harvard University and the Swiss Federal Institute of Technology have identified a three-pronged treatment that triggers axons—the tiny fibers that link our nerve cells and enable them to communicate—to regrow after complete spinal cord injury in rodents. Not only did the axons grow through scars, they could also transmit signals across the damaged tissue.

UCLA, 하버드 및 스위스연방공대의 신경과학자들이 완전한 척수손상을 입은 설치류를 대상으로축삭돌기 (신경세포를 연결하고 서로 간에 소통할 수 있도록 해주는 작은 섬유)를 재생시키는 3단계 치료방법을 발견했다. 이 실험에서 축색돌기는 단순히 손상부위를 넘어 자라났을 뿐만 아니라, 손상된 척수조직 건너편으로 신호를 전달했다.

If researchers can produce similar results in human studies, the findings could lead to a therapy to restore axon connections in people living with spinal cord injury. Nature publishes the research in its Aug. 29 online edition.

이와 유사한 결과를 인체 실험에서도 재현할 수 있다면, 해당 발견은 척수 손상을 입은 사람들의 축색돌기를 재생시켜주는 치료방법으로 이어질 수 있을 것이다. 해당 결과는 8월 29일 네이처지 온라인판에 게재되었다.

"The idea was to deliver a sequence of three very different treatments and test whether the combination could stimulate disconnected axons to regrow across the scar in the injured spinal cord," said lead author Michael Sofroniew, a professor of neurobiology at the David Geffen School of Medicine at UCLA. "Previous studies had tested each of the three treatments separately, but never together. The combination proved to be the key."

“핵심 아이디어는 세 가지의 매우 다른 치료법들을 순차적으로 적용하여 절단된 축색돌기가 손상된 척수의 상흔을 가로질러 다시 자라날 수 있는지 확인하는데 있었습니다”라고 제1저자이자 UCLA 의학대학원 신경생물학자 교수인 마이클 소프로뉴가 말했다. “기존의 연구들에서는 세 가지 치료법 각각을 개별적으로 실험하였으나, 함께 적용한 것은 이번이 처음입니다. 비결은 바로 이러한 치료법의 조합에 있었습니다”.

When people injure their spinal cords, it damages the axons and prevents the brain from sending signals to neurons below the site of injury. This leads to paralysis and the loss of other neurological functions, like bladder control and hand strength. The UCLA approach could provide the first step to solving this problem.

척수손상을 입을 경우 그 과정에서 축색돌기가 손상되어 손상부 아래의 신경으로 뇌가 신호를 보낼 수 없게 된다. 이는 신체마비 및 방광제어나 악력 같은 각종 신경학적 기능의 소실로 이어진다. UCLA에서 이번에 개발한 접근방식은 해당 문제를 해결하기 위한 첫 단계라고 할 수 있다.

According to Sofroniew, many decades of research have shown that our nerve fibers need three things to grow: first, genetic programming to switch on axon growth; second, a molecular pathway for the fibers to grab and grow along; and third, a trail of protein 'bread crumbs' that entice the axons to grow in a particular direction.

소프로뉴의 설명에 따르면, 인체의 신경섬유가 자라나기 위해서는 다음의 3가지가 필요하다: 첫째, 축색돌기 성장을 가능케 하는 유전적 프로그래밍. 둘째, 신경섬유가 성장하도록 하는 분자 경로. 셋째, 축색돌기가 특정 방향으로만 성장하게 만드는 단백질 “빵조각들”이다.

All three of these conditions are active when humans develop in the womb. After birth, these processes shut down, but the genes that control the growth programs are still sleeping in our bodies. Sofroniew's goal was to reawaken these genes and then launch the entire process anew with the three-pronged approach.

위의 3가지 요소들은 인간이 자궁 속에서 발달할 때 작동한다. 출생 후에는 해당 요소들이 차단되지만, 성장 프로그램을 제어하는 유전자는 여전히 인체 속에서 잠든 채로 남아있다. 소프로뉴의 연구 목적은 해당 유전자를 다시 깨운 다음 세 가지 접근방식을 적용하여 전체 과정을 재시작하는데 있었다.

First, the researchers reactivated nerve cells in the spinal cords of mice by injecting a treatment packaged in harmless viruses that was first developed in the lab of Zhigang He, a neuroscientist at Harvard.

먼저 연구진은 무해한 바이러스로 포장된 치료물질을 주입함으로써 쥐의 척수 내 신경세포를 재활성시켰다. 해당 치료물질은 하버드의 신경과학자인 지강 히가 처음으로 개발한 것이다.

Two weeks later, the UCLA team anesthetized the animals and disconnected the axons in their lower spinal cords. Only the rodents' hind legs were affected and they could still move and feed.

2주 후 UCLA 연구진은 동물들을 마취시킨 다음 하체 척수의 축색돌기를 절단했다. 이 과정에서 동물들의 뒷다리만 영향을 받았으며, 이동과 먹이 섭취는 여전히 가능했다.

Two days after injury, the team administered a second treatment into the lesion to create new pathways on which axons prefer to grow. Finally, the researchers released a third set of molecules called chemo-attractants. The axons sniff out these chemical 'bread crumbs,' which provide a target destination—in this case, spinal cord tissue remaining on the other side of the scar from the injury.

이틀 후에 연구진은 손상부위에 2번째 치료법을 적용하여 축색돌기의 성장을 촉진하는 새 분자경로를 만들었다. 마지막으로 연구진은 3번째 치료법인 화학유인분자를 주입했다. 축색돌기는 이 화학적인 “빵조각”의 냄새를 맡고서 목적지까지 이동한다. 여기서 목적지는 손상부위 너머에 남아있는 척수 조직이었다.

When Sofroniew and his colleagues examined the tissue of mice who underwent the three-part treatment, they were jubilant.

소프로뉴와 그 동료들은 상기한 3단계 치료를 거진 쥐의 척수 조직을 확인하고서 기쁨에 사로잡혔다.

"Not only had axons grown robustly through the scar tissue," said Sofroniew, "but many fibers had penetrated into the remaining spinal cord tissue on the other side of the lesion and made new connections with neurons there."

“손상부위를 통과하여 자라난 것은 축색돌기만이 아니었습니다”라고 소프로뉴는 말했다. “다수의 섬유들이 손상부위 너머에 남아있는 척수조직으로 침투하여 그 곳의 신경들과 새로운 연결을 형성한 것이죠”.

Animals who did not undergo the combined treatment exhibited no axon regrowth across the injury lesion.

이러한 복합 치료를 받지 않은 동물들은 손상부위에서 축색돌기 재생을 보이지 않았다.

To test the finding's reproducibility, the team repeated the experiment multiple times in mice at UCLA and in rats in the lab of Swiss neuroscientist Gregoire Courtine. The results proved equally robust.

해당 실험결과의 재현가능성을 확인하기 위해 연구진은 UCLA와 스위스 신경과학자 그레고리 쿠틴의 실험실에 있는 쥐를 가지고 여러 번 실험을 반복했다. 역시 동일한 결과가 나왔다.

The team received another surprise when they tested whether newly regrown axons could conduct electrical activity in live animals.

또 연구진은 새로 자라난 축색돌기들이 살아있는 동물들 내에서 전기적 활성을 보이는 것을 발견하고 또다시 놀랐다.

"When we stimulated the animal's spinal cord with a low electrical current above the injury site, the regrown axons conducted 20 percent of normal electrical activity below the lesion," said Sofroniew. "In contrast, the untreated animals exhibited none."

“저희가 약한 전류로 손상부위 위쪽의 척수를 자극하자, 다시 자라난 축색돌기들이 정상적인 전기적 활성의 20% 정도를 손상부위 아래쪽으로 전달했습니다”라고 소프로뉴는 말했다. “이와 달리 해당 치료를 적용하지 않은 동물들에서는 아무런 전기적 활성이 없었습니다”.

Despite the finding suggesting that the newly formed connections can conduct signals across the injury, the rodents' ability to move did not improve. This was not unexpected, according to Sofroniew.

새로 형성된 연결이 손상부위를 지나 신호를 전달할 수 있다는 것이 발견되었음에도 불구하고, 설치류의 운동능력은 개선되지 않았다. 하지만 이는 예상되었던 일이라고 소프로뉴는 말했다.

"We expect that these regrown axons will behave like axons newly grown during development—they do not immediately support coordinated functions," said Sofroniew. "Much like a newborn must learn to walk, axons that regrow after injury will require training and practice before they can recover function."

“재생된 축색돌기는 발달 과정에서 자라난 축색돌기와 유사하게 행동할 것으로 예상하고 있습니다”라고 소프로뉴는 말했다. “신생아가 걷기를 연습하는 것처럼, 손상 후에 재생된 축색돌기가 기능을 다시 되찾기 위해서는 훈련과 연습이 필요할 것입니다”.

The research team will next explore how to retrain newly wired circuits to restore movement.

앞으로 연구진은 재생된 신경회로를 재훈련시켜 운동기능을 원래대로 회복시키는 방법을 연구할 계획이다.

More information: Mark A. Anderson et al, Required growth facilitators propel axon regeneration across complete spinal cord injury, Nature (2018). DOI: 10.1038/s41586-018-0467-6

논문정보: 마크 A. 앤더슨 외, 완전한 척수 손상을 횡단하는 축색돌기 재생에 필요한 성장 촉진자