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자궁 내 착상 과정에서 가해지는 엄청난 힘을 최초로 확인

착상 중인 배아의 첫 번째 생중계 영상
관찰을 통해 자궁 내 착상 과정에서 가해지는 엄청난 힘을 최초로 확인했다.

인간 배아는 자궁에 착상할 때 겁먹지 않는다. 이 과정을 담은 최초의 실시간 영상이 보여주듯이, 배아는 적극적으로 모체 조직 속으로 파고든다. 이 과정에서 배아는 기계적 힘으로 자궁 내막의 콜라겐 섬유와 세포를 밀어낸다. 동시에, 태아는 이 초기 단계에서도 외부의 힘에 반응한다. 

▲ 이 이미지는 인간 배아가 착상 중에 자궁 조직에 어떻게 적극적으로 침투하는지 처음으로 보여다. © Institute for Bioengineering of Catalonia (IBEC)

발달 중인 생명체는 순탄치 않다. 배아가 첫 번째 세포 분열과 나팔관을 통과하는 여정을 견뎌내고 나면, 아마도 가장 중요한 임무가 기다리고 있을 것이다. 수정 후 약 일주일에, 배아는 자궁에 착상해야 한다. 배반포는 콜라겐이 함유된 자궁 내막 깊숙이 침투해 단단히 고정되고 모체 혈관과 연결되어야 한다. 이렇게 해야만 다음 단계의 발달이 가능하다.

착상 과정 최초 실시간 관찰

하지만 약 200개의 세포로만 구성된 배아는 어떻게 이러한 과정을 수행할 수 있을까? 이전 연구에서는 배반포가 자궁 내막의 콜라겐 함유 기질을 약화시키는 효소를 분비한다는 사실이 밝혀졌다. 바르셀로나 과학기술연구소의 아멜리 고도(Amélie Godeau)와 동료들은 "이러한 기질 분해만으로는 착상에 충분하지 않다. 배아는 자궁의 섬유 결합 조직을 뚫고 들어가기 위해 힘을 가해야 한다"고 설명했다. 이 과정에서 정확히 어떤 일이 어떻게 일어나는지는 아직 밝혀지지 않았다.

이제 최초로 인간 배아가 착상하는 과정을 생생하게 관찰할 수 있게 되었다. 이는 단백질, 콜라겐 기질, 그리고 영양액으로 만들어진 새롭게 개발된 측정 플랫폼 덕분에 가능했다. 고도와 그녀의 연구팀은 인간 배반포를 이 내막에 위치시킨 후 형광 염색과 현미경 이미지를 사용하여 배아가 조직에 어떻게 결합하는지 관찰했다. 원자력현미경(Atomic Force Microscope, AFM)을 사용해 작용하는 기계적 힘도 추적할 수 있었다.

▲ 그림 1. 인간 및 마우스 배아 착상 연구를 위한 체외 플랫폼. (A) 2D 및 3D 플랫폼에서 마우스 및 인간 배반포 착상을 보여주는 개략도. 마우스 배아는 극성 전이유전자(TE)의 벽측 배반포와 인간 배반포에 부착된다. (B~E) 2D 및 3D 플랫폼에서 마우스 또는 인간 배아 착상 스냅샷. 시간이 지남에 따라 성장이 증가했다(빨간색 윤곽선). 스케일 바, 100 μm. (F) 2D 플랫폼에 이식된 (왼쪽) 마우스 및 (오른쪽) 인간 배아의 주사 전자 현미경 이미지. 스케일 바, 50 μm. (G) E7.5에서 3D 플랫폼에 이식된 막 결합 tdTomato를 발현하는 마우스 배아의 4′,6-다이아미디노-2-페닐인돌(DAPI), Oct4 및 Cdx2 면역 염색. 스케일 바, 50 μm. 삽입 그림은 상피세포, ExE, 영양막 다핵 세포(흰색 화살표)를 보여줍니다. 스케일 바, 10 μm. (H) 2D 플랫폼에 이식된 막 결합 tdTomato를 발현하는 마우스 배아의 DAPI, Oct4, Pard6 면역 염색. 삽입 그림은 전양막강과 다핵 세포(흰색 화살표)를 보여준다. 스케일 바, 100 μm 및 50 μm(삽입 그림). (I 및 J) (I) 3D(위) 직교 보기 및 (아래) 상단 보기와 (J) 2D 플랫폼에 이식된 D10의 인간 배아(5개 배아 대표)의 DAPI, 팔로이딘, OCT4, GATA6, CK7 면역 염색. 흰색 화살표는 예상되는 난황낭과 전양막강을 가리킨다. 스케일 바, 100 μm, 50 μm(직교 보기), 20 μm(삽입 그림). (K) 디지털 용적 상관관계(DVC) 분석의 개략도. 기준 마커를 시간 지점 사이에 추적하여 변위 지도를 생성했다. 변위의 진폭은 색상으로 표시됐으며, 화살표는 변위 방향을 나타낸다. (출처:Traction force and mechanosensitivity mediate species-specific implantation patterns in human and mouse embryos / Science Advances / 15 Aug 2025)

"놀랍도록 침습적인 과정"

이 이미지들은 착상이 놀랍도록 공격적이고 침습적인 과정임을 보여주었다. 쥐 배아와 달리, 인간 자손은 자궁 내막에 단순히 표면적으로 부착되는 것이 아니라 모체 조직 깊숙이 침투한다. 이를 위해 배반포는 근육 운동에 필요한 섬유인 액틴과 미오신 필라멘트를 사용한다. 이 섬유들은 배아 아랫면에 발 모양의 돌출부를 형성하여 자궁 조직의 콜라겐 섬유와 결합한다.

이러한 돌출과 수축을 통해 배아는 측정 가능한 기계적 힘으로 자궁 내막으로 적극적으로 밀어 넣는다. 이 이미지들은 배아가 자궁 기질을 적극적으로 잡아당기며 섬유들을 움직이고 재구성하는 모습을 보여주었다. 바르셀로나 연구소의 수석 저자인 사무엘 오호스네그로스(Samuel Ojosnegros)는 "배아가 착상 과정에서 상당한 힘을 가하는 것을 관찰했다"며 "이것은 놀랍도록 침습적인 과정이다"고 보고했다.

태아가 자궁 내막으로 거의 강제로 밀어 넣는 것은 착상 단계에서 일부 여성이 경미한 통증과 출혈을 호소하는 이유를 설명할 수 있다. 오호스네그로스는 "이러한 기계적 힘은 배아가 조직을 관통하여 완전히 통합되는 데 필수적이다"고 말했다. 배아는 박동하는 파열 형태로 조직을 통과한다.

▲ 이 형광 이미지는 착상 배아에서 발 모양의 확장과 기계적으로 활성화된 섬유를 보여준다. © Godeau et al./ Science Advances, CC-by-nc 4.0

배아는 외부 힘에도 반응

실시간 관찰 결과, 배아는 착상 중에 스스로 힘을 가할 뿐만 아니라 환경의 기계적 영향에도 반응한다는 사실이 밝혀졌다. 연구진이 시뮬레이션된 점막의 특정 지점에 압력을 가하자 배아는 적극적으로 그 지점을 향해 움직였다. 연구진은 "배아와 미세 바늘 사이에 기계적 연결 고리가 형성되었고, 바늘 끝을 향해 성장했다"고 보고했다. "이는 배아가 외부 힘 자극을 감지하고 반응할 수 있음을 시사한다.”

이러한 외부 자극은 착상 중에 발달 중인 배아가 올바른 방향을 찾는 데 도움이 될 가능성이 높다. 배아는 압력이 증가하는 지점으로 이동하여 조직 깊숙이 들어간다. 또한, 자궁벽의 자연적인 박동 또한 착상에 도움을 주는 역할을 할 수 있다고 연구팀은 추측한다. 보조생식술에 대한 연구에 따르면 이러한 미묘한 수축이 자연스러운 리듬에서 벗어나면 착상이 실패하는 경우가 많다.

태반 전구체

연구진은 착상의 또 다른 중요한 단계를 관찰했다. 오호스네그로스는 "자궁 내막으로 들어가는 과정에서 배아는 특수한 조직을 생성하기 시작하는데, 이 조직은 나중에 모체의 혈관과 연결된다"고 설명했다. 이를 위해 배반포는 특수한 다핵 세포, 즉 합포영양막(syncytiotrophoblast:태반에 있는 영양막의 바깥 융합층. 사람의 융모성 생식샘 자극 호르몬이 합성되는 곳)의 전구체를 생성한다. 이 조직은 태반과 모체 조직 사이의 경계층을 형성한다. 이 경계층의 전구 세포는 착상 시작 후 며칠 만에 모체 조직으로 이동하는데, 이는 현재 이미지에서 확인할 수 있다.

이러한 최초의 실시간 관찰 결과는 인간 배아가 자궁에 착상하는 복잡한 과정에 대한 통찰력을 제공한다. 배반포가 모체 조직을 어떻게 능동적이고 기계적으로 침투하여 구조를 변화시키는지 보여준다. 이러한 지식은 보조생식술의 최적화에도 기여할 수 있다.

참고: Science Advances, 2025; doi: 10.1126/sciadv.adr5199
출처: Institute for Bioengineering of Catalonia (IBEC)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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