Microglia, a type of glial cells, are known to play critical roles in neurodegenerative diseases, and they respond to pathological conditions via microglial activation. The activation states, that are known to determine their functional roles, correlate closely with distinct migration patterns. For example, fully activated microglia with abnormally high motility and increased phagocytic behavior is an indication for neurodegenerative diseases. Since these cells are inherently exposed to diverse physicochemical stimulations in the microenvironment of the brain, a various physiological stimulations such as electrical, chemical, mechanical stimulations might be one of the key factors to regulate microglia activation. Therefore, this study aims to investigate the changes of microglial behavior under various physiological stimulations for therapeutic implications.
To study the phenotypic difference of microglia as a response to external stimuli, the microfluidic platform was used for monitoring the effects of fluid shear stress and electric field (EF) on the migration and morphological change of cells in real time. In response to fluid shear stress, migrating behavior of microglia was significantly altered with pronounced increases in the speed of migration, the degree of scattering, and the alignment of trail pattern. In response to the applied EF, a number of microglia spontaneously exhibited phagocytic behavior for neighboring cells undergoing apoptosis. In addition, we have successfully developed an improved second microfluidic device, which can apply pulsatile electric field (EF) and parallel chemical gradient on cells that can mimic the chemical gradient of neurotoxic factors highly expressed in degenerative situation of brain.
Our results imply the possibility of regulating the activation state of microglia by physical stimulations, which can provide new insights for pathological outbreaks of such diseases and may lead us to a novel therapeutic tool.
뇌세포들은 뇌 속에서 세포간 교신 활동, 환경 변화 등에 의해 발생하는 물리적, 전기적, 및 화학적 자극에 노출되어 있다. 뇌 질환이 발현할 경우 형성되는 조직 속 환경 변화에 의해 조직 속에 존재하는 물리화학적 자극들이 변하게 되며 세포의 운동성, 활성도, 역할 등에 영향을 미치게 된다. 특히 미세아교세포는 뇌 조직의 항상성을 유지하기 위해 면역기능을 수행하거나, 뇌 질환이 진행되는 데에 매우 핵심적인 역할을 수행한다. 과도하게 활성화된 미세아교세포와 이와 동반되어 나타나는 운동성의 급격한 증가, 비정상적인 식균작용과 신경 독성 물질 분비는 광범위한 뇌질환들의 발현과 밀접한 연관성이 있다. 따라서 본 연구는 세포에 물리적, 전기적, 화학적 자극을 in vitro 상에서 인가할 수 있도록 고안된 미세유체채널의 개발을 통해 미세아교세포가 실제 뇌 환경 속에서와 같이 다양한 생리학적인 자극에 노출되었을 때 나타내는 비정상 활성 기작에 대한 이해를 목적으로 하였다.
유체 전단 응력과 전기장을 인가할 수 있는 미세유체채널을 이용한 실험에서 미세아교세포는 전단응력이 작용함에 따라 진동하는 진폭이 커지고, 이동 속도와 퍼져나가는 정도가 증가하는 양상을 통해 운동성이 높아지는 경향을 보였다. 외부의 자극에 따른 단일 세포의 순수한 반응을 확인하기 위해 세포간 접촉이 최소화 되는 조건에서 실험을 진행하였다. 더불어, 실제 뇌 질환 상황에서 병변 주위에 미세아교세포가 높은 농도로 존재하기 때문에, 높은 농도로 배양된 미세아교세포에 자극을 인가하며 미세아교세포 집단의 운동성 변화를 관찰해보았다. 전단응력이 작용하자 미세아교세포가 활발한 식균작용을 나타내었으며, 미세아교세포 집단의 배열 패턴이 정렬되었다. 또한 전기자극을 인가하자 세포들이 불규칙적으로 뒹구는 듯한 비정상적인 움직임과 함께 매우 활발한 식균작용을 보였다. 흥미로운 점은 이러한 현상들이 미세아교세포의 활성화 및 과도 활성화 상태에서 나타나는 양상들이라는 것으로, 결과의 정밀한 분석을 위해 세포의 활성도 확인 표지 물질 등을 이용한 생물학적인 분석이 필요할 것으로 생각된다.
기존의 장비에서는 유체 전단 응력과 전기장만 인가할 수 있다는 한계가 있어, 추가로 화학적 농도 구배를 인가할 수 있는 미세유체채널을 개발하였다. 미세유체채널을 공정하기 전에, 채널 내에서 형성되는 자극을 FEM에 기반한 시뮬레이션을 통해 확인하였다. 개발된 미세유체채널은 미세아교세포가 뇌 속의 물리적, 전기적, 화학적 자극에 반응하여 일으키는 활성도 변화, 방향성 있는 움직임 등의 기작을 확인하는 데에 사용될 수 있을 것이다.
본 연구에서 개발된 뇌 속의 다양한 물리적, 전기적, 화학적 자극을 효과적으로 재현할 수 있는 미세유체채널과, 이를 이용한 미세아교세포의 활성화 전이 기작에 대한 이해, 그리고 미세아교세포의 활성도와 운동성 제어 기법의 발견은 뇌 과학의 기초 학문적 이해라는 순수 학문적 중요성과 함께, 임상적 응용과 치료 기법에 유용하게 사용 될 수 있는 획기적인 시스템의 개발이라는 측면에서 광범위한 임상적 파급 효과를 유발할 것으로 기대된다.
