바이오인

BioINwatch(BioIN+Issue+Watch): 19-51
바이오 인공장기를 위한 핵심기술, “오가노이드(Organoids)”

◇ 최근 Science에서 오가노이드(organoids, 장기유사체)를 특집이슈로 다루었는데, 특히 포유류의 배(embryo) 발달 연구, 암 모델링 연구에서의 오가노이드 활용, 오가노이드의 자기조직화 능력, 칩 위의 오가노이드(organoids-on- a-chip)에 관해서 소개

▸주요 출처 : Science,  Special issue, Organoids, Vol 364, Issue 6444, 07 June 2019

■  ‘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 구성
    2) 장기가 지닌 특정 기능 재현
    3) 실제 장기와 유사한 구조로 공간적 조직화 가능
  ※ 2015년 MIT에서 선정한 10대 미래유망기술(Breakthrough Technologies)에 뇌 유사기관(Brain Organoids)가 선정된 바 있음

 ○ 오가노이드는 자가조직화(Self-organization) 능력을 바탕으로 일반적인 배양세포 보다 복잡한 생체의 장기를 모방할 수 있어, 초기 장기의 발달, 조직의 상호작용, 질병의 발생을 이해하는 좋은 3차원 모델로 활용될 것으로 기대
  - 하지만 현재 오가노이드 기술로는 실제 장기의 복잡한 생물학적, 물리학적, 화학적 환경을 반영하지 못하는 한계가 존재
  - 미세유체 시스템(microfluidic system)과 같은 생물공학적 접근은 오가노이드가 실제 장기와의 유사성을 높이는 기술이 될 것으로 전망
  - 성숙한 오가노이드 기술은 배아를 둘러싼 풀리지 않는 궁금증을 해결하고 나아가 손상된 인체 장기를 대신하는 바이오 인공장기로 발전 가능

■ 포유류 초기 배아(embryo) 발달 연구의 도구, 줄기세포 기반의 배아 오가노이드 모델 

 ○ 포유동물의 착상 후 배아 발달* 단계는 배아의 크기가 매우 작고, 접근이 어려워 연구하기 어려웠으나,
    * 포유동물의 배아 발달은 수정(fertilization)으로 시작하고, 유사분열 이후 분화의 과정을 진행하며 다세포 배아(multicellular embryo) 단계로 진행
  - 줄기세포를 이용하여 제작된 배아 및 태반 유사 구조체 등 인공배아(artificial embryo)를 기반으로 인간의 초기 발달과정에 대한 폭넓은 연구가 가능해짐
    ※ 줄기세포는 자기조직화 능력을 바탕으로 줄기세포 유래 인공배아는 배아 발생의 물리적 환경, 화학적 신호에 의한 복잡한 패터닝을 보여줌

 ○ 하지만 in vivo에서 일어나는 현상을 완벽하게 모사하기 위해서는 발생 단계에서 실제 배아가 겪게 되는 물리·화학적 특성을 모사할 수 있는 in vitro 모델로 발전이 필요
  - 또한 인공배아는 난임 연구를 포함한 다양한 난치병 연구에 넓게 사용될 수 있으나, 인간 배아줄기세포를 활용한 배 발생 연구를 어디까지 허용할 것인지에 대한 윤리적 고민도 함께 필요한 시점

■ 오가노이드 기술을 활용한 암 모델링 연구

 ○ 줄기세포의 자기조직화 능력을 기반으로 암 환자 조직으로부터 분리 제작한 암 오가노이드(cancer organoids)*는 환자의 특성을 모방하고, 증식 가능하여 개인의 약물반응을 정확하게 예측하는 등 맞춤의료에 활용 가능
    * 암 환자로부터 분리된 조직 내의 성체줄기세포 또는 암줄기세포, 환자 유래 역분화 줄기세포로 제작한 3차원 구조체로써 암환자 조직의 특성을 반영
  - 다양한 암 환자의 조직으로부터 분리 제작된 암 오가노이드를 뱅킹하는 것은 암 오가노이드의 활용을 촉진시킬 수 있으며,
  - 더불어 CRISPR 기반의 유전자 편집기술은 암의 증식, 이동, 전이 등 중요한 암 발생 과정을 이해하는 데에 좋은 툴을 제공함에 따라 암 오가노이드 연구개발을 촉진

 ○ 암 오가노이드는 인체 상피세포의 암화 과정을 대부분 모사하지만, 그 외 암을 둘러싼 미세환경(tumor microenvironments)*까지 반영하지 못하고 있음
    * 암을 둘러쌓고 있는 주위 환경으로, 혈관, 면역세포, 섬유세포, 이를 포함하는 세포외 기질을 포함
  - 이러한 제한점을 해결하기 위해 섬유세포, 면역세포 등을 추가한 공배양 기술을 개발 추진 중
  - 향후 암 오가노이드 제작에 드는 고비용, 장시간 등 제작의 효율성 증대 방안과 효과적인 미세환경 구축기술이 암 오가노이드 활용에 중요한 요소가 될 것으로 전망