바이오인

BioINwatch(BioIN+Issue+Watch): 16-31
줄기세포 기반의 오가노이드 R&D 동향

◇ 줄기세포 기반의 오가노이드 기술을 활용하여 세포/2D 수준의 연구에서 장기/3D 수준의 연구로 패러다임이 전환될 것으로 전망되는 가운데 최근 iPSC를 이용한 오가노이드 연구성과가 속속 발표됨에 따라 관련 내용 정리

■  ‘오가노이드(Organoid)’란?

 ○ 오가노이드(장기유사체, 유사장기라고도 함)는 줄기세포나 장기 기원세포로부터 분리한 세포를 3D 배양법으로 다시 응집·재조합하여 만든 장기 특이적 세포집합체로,
    1) 모델로 하는 장기의 특이적 세포 포함
    2) 장기가 지닌 특정 기능 재현
    3) 실제 장기와 유사한 형태로 공간적 조직화 가능
    ※ 2015년 MIT에서 선정한 10대 미래유망기술(Breakthrough Technologies)에 뇌 유사기관(Brain Organoids)가 선정된 바 있음

■ 오가노이드 연구개발 동향

 ○ 2013년 미니 뇌가 제작된 후 오가노이드 제작 연구가 활발히 진행, 이후 미니 신장, 갑상선, 간 등 다양한 오가노이드 개발 성과 도출
  - 특히 3D 바이오프린팅 기술이 주목받으며, 인공 뼈, 귀, 피부 등 다양한 인공조직 개발 중
  - 최근 줄기세포 기반의 인공장기 개발이 주목받고 있으며, 향후 줄기세포를 접목해 기관 수준의 이식용 오가노이드 개발 가능성 전망
 ※ 그러나 오가노이드 유지·배양기술이나 생체시스템을 대체할 만한 수준의 기능화 된 오가노이드 개발 측면에서는 아직까지 초기 연구단계 수준이며, 향후 기술개발 후 현실적인 활용을 위한 국가별 규제 개선 등 제도적 기반도 함께 갖추어져야 할 것으로 전망

■ 최근 미국의 연구개발 현황

 ○ 미국 존스홉킨스대 연구팀, 알츠하이머 치매나 뇌졸중 등 뇌신경질환 연구의 효율성을 높일 수 있는 '미니 뇌' 제작(2016.2)
  - 피부에서 채취한 체세포를 iPSC로 만든 뒤 다시 뇌세포로 분화시키는 방법을 통해 미니 뇌* 제작
     * 미니 뇌는 2만여 세포로 구성된 지름 350㎛의 세포 덩어리로 크기가 집파리 눈만 해 육안으로 겨우 볼 수 있을 정도
  - 미니 뇌에는 4가지 형태의 뉴런과 이들을 보호하는 2종류의 지지세포인 성상세포와 희소돌기아교 세포가 존재
  - 알츠하이머, 파킨슨병 및 다발성경화증 환자 피부세포로 미니 뇌를 만들면 치료제의 효과를 보다 정확하게 검증할 수 있을 것으로 기대
    ※ 연구팀은 미니 뇌 특허를 ‘오가놈(Organome)’이라는 명칭으로 특허를 출원해 상업화할 계획

 ○ 미국 하버드대 연구팀, 인슐린을 생산하는 미니 '인공 위장'을 제작해 쥐에 이식하는 데 성공했다고 셀 스템 셀(Cell Stem Cell)지에 발표(2016.2)
  - 실험쥐의 위장과 십이지장 사이 상피세포로 iPSC를 만든 뒤 인슐린을 분비 베타세포로 분화시켜 인공 위장을 제작
  - 연구팀은 베타세포가 없는 쥐에게 이 인공 위장을 이식하자 인슐린이 분비되어 혈당치가 정상 수준을 회복했다고 설명
    ※ 이러한 효과는 6개월 이상 지속된 반면, 베타세포가 없고 인공 위장을 이식 받지 못한 쥐는 8주 만에 죽었다고 소개
  - 베타세포를 상실한 당뇨병 환자의 경우에도 환자 자신의 세포로 인공 위장을 만들면 췌장 기능이 부작용 없이 개선될 수 있을 것으로 기대
    ※ 현재 미국 내 당뇨병 환자는 2,910만명에 달하며, 췌장 베타세포가 파괴되어 인슐린 생산이 안되는 1형 당뇨 환자는 125만명 정도로 추정

■ 최근 일본의 연구개발 현황

 ○ 일본 도쿄대와 교토대 공동 연구팀, 쥐의 등에 ‘인간 귀’ 배양(2016.1)
  - 환자의 iPSC를 이용해 작은 공 모양의 연골세포를 만든 뒤, 이 연골세포를 지름 3㎜ 플라스틱관에 채워 넣고 인간의 귀 형상을 만든 다음 실험용 쥐의 등에 이식
  - 그 결과, 2개월 후 플라스틱관이 용해된 가운데 5㎝ 크기의 인간 귀처럼 생긴 기관이 쥐의 등에 배양
  - 연구팀은 5년 뒤 얼굴 기형 신생아나 귀를 다친 성인 등을 대상으로 위와 같은 방식으로 인공 귀를 만들어 이식시킬 수 있을 것으로 전망
    ※ 현재 인공 귀는 환자의 갈비뼈에서 추출한 연골세포로 만드나 이 과정은 수술을 수 차례 해야 하고 연골 추출에 심한 통증이 수반

 ○ 일본 오사카대 연구팀, iPSC를 이용해 ‘인공 눈’ 조직을 배양하는 데 성공했다고 네이처(Nature)지에 발표(2016.3)
  - 인간 눈의 외배엽 세포에서 채취한 iPSC를 망막, 각막, 결막, 망막 내피 등 눈을 구성하는 다양한 세포로 분화시키고 이들 세포가 성숙되는 40일 동안 실제 눈처럼 서로 유기적으로 연결시키는 데 성공
  - 배양된 인공 눈 조직에서 각막 상피세포를 떼어 각막 장애로 눈이 먼 토끼에게 이식, 7일이 경과하자 토끼는 정상 시력을 거의 회복
    ※ 이는 인간 iPSC로 만든 각막 상피세포가 토끼에도 기능한다는 사실을 입증
  - 연구팀은 타인의 기증에 의존하던 각막이식을 대신할 새로운 치료법이 될 수 있을 것으로 전망하면서 향후 2년 내 환자에게 이식한다는 계획
    ※ 과거에도 인공으로 눈 조직 일부를 배양한 적은 있었지만 눈 전체의 복잡한 구조를 가진 조직을 배양하기는 이번이 처음

 ○ 일본 이화학연구소와 도쿄대 공동 연구팀, 쥐의 잇몸 세포로 만든 iPSC로 모공과 피지샘이 있는 ‘인공 피부’ 조직을 제작했다고 사이언스 어드밴시스(Science Advances)지에 발표(2016.4)
  - 수정란에서 분열을 거듭해 온 배아가 모공과 피지샘 등 외분비기관을 형성시키는 과정에서 ‘Wnt10b’라는 분자가 중요한 역할을 한다는 점에 착안, iPSC가 세포 덩어리를 만들 때 Wnt10b를 넣고 관찰
    ※ 연구팀은 iPSC 역시 증식하면 배아와 비슷하게 생긴 세포 덩어리를 만드는데, 이때 Wnt10b 분자를 넣으면 유사한 현상이 나타날 것으로 판단
  - 그 결과, 1주일 뒤 세포 덩어리에 모공과 피지샘이 있는 조직이 형성되었고 이 조직을 실험용 쥐에 이식시키는 데 성공
    ※ 그동안 피부조직을 만들려는 시도는 많았지만 피지와 땀을 내는 등 실제 피부 기능을 하는 조직이 제작되기는 이번이 처음

■ 국내 연구개발 현황

 ○ 국내에서는 생체적합성 재료를 융합한 조직공학 및 인공조직 연구개발이 활발한 상황으로, 최근 들어 줄기세포 기반 지지체, 인공장기 칩 등의 연구 추진 중
    ※ 체내에서 조직이 재생되면서 고분자 지지체가 생분해되어 자가혈관으로 대체 되는 혈관 시스템, 태반 기능과 질환 연구에 활용 가능한 인공태반 칩 (organ-on-a-chip), 줄기세포 분화 조절 지지체를 개발하여 여러 장기에 응용하는 연구 진행 중

...................(계속)

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