Brain cells communicate by electrical means in addition to chemical factors. Therefore, any intervention by external electrical stimulation (ES) would likely to affect the signaling amongst brain cells, interfering the normal function of the brain. Based on this, the treatment of brain diseases using electrical stimulation has been studied, and recently, such efforts have been introduced into cerebrovascular diseases. However, the exact mechanism by which electrical stimulation controls neurophysiology is scarcely known. Animal models and two-dimensional culture models are mainly used to study mechanism, but each model has a definite limit. In this study, we successfully established a 3D spheroid-based brain model to evaluate the effect of ES and compared it with conventional 2D cell culture model. Gene analysis identified that the expression patterns for the genes of synaptic structure and plasticity from the 3D spheroidal models were more similar to those of in vivo data. Also, it was confirmed that these genetic changes also appear as actual structural changes. Furthermore, we made a model of in vitro ischemic stroke using the created 3D model and confirmed the response of electrical stimulation to it. This study is expected to provide a better in vitro model which will be useful for drug screening and future disease research.
뇌 세포는 생체내 생화학적 자극과 더불어 전기적인 자극에 의해 기능이 조절되며, 이러한 자극을 통해 상호작용한다. 따라서 신체 외부 환경에 존재하거나 신체에 전달되는 전기 자극은 뇌 세포 사이의 신호 전달에 직간접적 영향을 주게 되고 자극 조건에 따라 뇌 기능에도 영향을 줄 수 있다. 이러한 사실에 근거하여 전기 자극을 활용한 뇌 질환의 치료가 다양한 방면에서 연구되고 있으며 최근에는 이러한 노력이 뇌혈관 질환에 까지 시도되고 있다. 하지만 전기 자극이 신경 생리학을 조절하는 정확한 메커니즘은 거의 알려지지 않았다. 메커니즘을 연구하기 위해 동물 모델과 2차원 배양 모델이 주로 사용되지만 각각의 모델은 뚜렷한 한계를 가지고 있다. 본 연구에서는 전기 자극의 효과를 평가하기 위해 3차원 스페로이드 기반의 두뇌 모델을 성공적으로 수립하고 기존의 2차원 세포 배양 모델과 비교 하였다. 유전자 분석을 통해 3차원 모델로부터의 시냅스 구조 및 가소성 유전자에 대한 발현 패턴이 생체 내 데이터와 유사 함을 확인 하였다. 또한 이러한 유전적 변화가 실제 구조적인 변화로도 나타남을 확인하였다. 더 나아가 만들어진 3차원 모델을 이용하여 생체 외 허혈성 뇌졸중 모델을 구축하고, 뇌졸중 여부에 따라 뇌세포가 전기 자극에 달리 발현함을 확인 하였다. 본 연구에서는 생체미세환경을 잘 반영하는 생체 외 모델을 만들어 이후 약물 검사 및 여러 질병의 기전 연구에 도움을 줄 수 있을 것으로 기대된다.
