바이오인

◇ 최근 인간 줄기세포 배양을 통해 in vitro에서 “배반포 유사체(blastoids)"를 제작. 이는 최초의 완벽한 인간 배아모델(integrated human embryo model)로, 초기 배아 발생, 발달 장애, 불임, 난임 연구 및 보조생식기술 개선 등의 연구에 유용한 모델로 활용될 것으로 기대

    ▸주요 출처 : Nature, First complete model of the human embryo, 2021.3.25.; Nature, Lab-grown structures mimic human embryo's earliest stage yet, 2021.3.25.

▣ 최근 두 연구팀이 각각 인간 줄기세포 배양을 통해 발생 초기 배반포* (blastocyst) 단계 모사 구조체인 “배반포 유사체

   (blastoids)"를 제작

   * 배반포란? 사람의 난자와 정자가 만나 수정란이 되면 세포분열을 일으켜 약 4,5일 뒤 공 모양의 배반포가 되는데 이는 나중

     에 혈액, 신경, 뼈 등 몸을 구성하는 220가지 이상의 서로 다른 세포들로 알아서 발달(출처 : 동아사이언스)

 ○ 미국 UT 사우스웨스턴 메디컬 센터, 호주 모나시 대학 연구팀은 인간 만능 줄기세포(human pluripotent stem cells) 또는 성체 조직의 리프로그래밍으로 제작된 세포(cells reprogrammed from adult tissues)가 실험실 환경에서 초기 인간 배아를 모사하도록 자가 구조화되는 것을 제시

  - 이는 태아(fetus)와 지지조직(supporting tissues)의 모든 초기 세포 계보(founding cell lineages)를 포함하는 최초의 완벽한 인간 배아모델로 활용 가능

  - 인간 배아는 보조생식기술을 개선하고, 임신 소실이나 선천적 결함 등 불임, 난임 연구를 위해 반드시 필요하나,

  - 인간 배아 연구에는 상당한 윤리적·법적 제약이 따르기 때문에 해당 연구에는 어려움 존재

○ 최초의 시험관 내(in vitro) 모델로 생쥐(mouse) 줄기세포를 사용하여 배반포 형성을 재현한 선행 연구가 있었으나, 생쥐는 인간과 발달 경로가 달라서 인간 발달의 완벽한 모델이라고 할 수 없고,

  - 인간 줄기세포를 활용하여 착상 후(post-implantation) 인간 발달의 일부 단계를 모사한 연구결과가 있었으나, 지금까지 착상 전(pre-implantation)의 인간 배반포, 특히 영양외배엽이나 하배엽과 관련한 연구는 미비한 상황

▣ 최근 Nature에 연구결과를 게재한 두 연구팀은 인간 배반포 유사체(human blastoids) 또는 유도 배반포 유사체(iBlastoids)

   를 제작

 ○ 기존의 한계를 뛰어넘어 상배엽 뿐만 아니라 영양외배엽, 하배엽과 유전자 발현 양상이 유사한 세포들을 포함하는 3차원 구조체를 제작하였고, 이를 인간 배반포 유사체(human blastoids) 또는 유도 배반포 유사체(iBlastoids)로 명명

  - 배반포 유사체는 자연적인 배반포(natural blastocysts)와 비슷한 크기와 모양을 가지고 있었고, 공간 구조 및 전체 세포 수가 유사

  - 또한 단일세포 RNA 시퀀싱(single-cell RNA sequencing)을 통해 배반포 유사체는 착상 전 인간 배반포와 분자 수준에서 유사한 특성을 나타냄을 검증

  - 배양 접시에서 착상과정을 모사연구 진행 시, 배반포 유사체는 4∼5일간 더 성장하여 배양 접시에 부착하고, 착상 후 배아와 유사한 발달을 진행하는 것으로 관찰

   ※ 연구결과는 네이처(Nature)지에 각각 ‘Blastocyst-like structures generated from human pluripotent stem cells’, ‘Modelling human blastocysts by reprogramming fibroblasts into iBlastoids'라는 제목으로 발표(2021.3.17.)

 ○ 그뿐만 아니라, 인간 확장 만능 줄기세포(human extended pluripotent stem cells)를 활용하여 유사한 연구를 진행한 두 팀의 연구결과도 출판전 사전 논문공개 사이트인 바이오 아카이브(bioRxiv)에 발표

   ※ 바이오 아카이브에 ‘Generation of human blastocyst-like structures from pluripotent stem cells(2021.3.9.)', 'Reconstructing human early embryogenesis in vitro with pluripotent stem cells(2021.3.12.)'라는 제목으로 각각 발표

< 인간 배반포 유사체의 제작 >

¶ (a) 인간 배반포로부터 분리하거나 성체 세포로부터 리프로그래밍하여 인간 만능 줄기세포를 제작. 인간 만능 줄기세포를 3D 구조 배양접시인 Aggrewell Plates에 놓고, 두 단계의 배양 과정을 거쳐 “인간 배반포 유사체”를 형성. (b) 성체세포를 배반포에서 발견되는 세 가지의 세포 유형과 유전자 발현 양상이 동일한 세포들로 직접 리프로그래밍하는 방법. 이들의 경우, 한 단계의 3차원 배양법을 통해 “유도 배반포 유사체”를 형성.

출처 : Nature. First complete model of the human embryo. 2021.3.25.

 ▣ 배반포 유사체는 착상 전, 착상 후 초기 발달을 연구할 수 있는 최초의 인간 배아모델로, 인간 배아를 사용하지 않고도 임신 손실이나 불임에 대해 이해하고 연구할 수 있는 기회를 제공할 것으로 기대

 ○ 다만, 극복해야 할 문제들은 아직 남아있는데 공여자(donor)에 따라 혹은 실험 배치(batch)에 따라 제작된 세포 간의 차이 발생

  - 또한 동일한 배양접시 내에서도 배반포 유사체의 발달은 동기화되어있지 않은 것으로 보였고, 무엇보다 배반포 유사체에는 자연적인 배반포에는 존재하지 않는 세포 군집이 일부 포함

 ○ 이러한 도전과제를 극복하기 위해 배반포 유사체의 배양 프로토콜을 최적화할수록 인간 배반포에 대한 모사도가 높아질 것인데, 이는 필연적으로 생명윤리적 질문으로 연결

  - 두 연구팀 모두 인간 배아 성장에 대한 “14일 규정(The 14-day rule)"에 따라 2주를 초과하여 배반포 유사체를 성장시키지 않음

  - 이와 관련하여 오는 5월 국제줄기세포학회(ISSCR)에서 배아 유사 구조체 연구에 대한 가이드라인을 발표할 예정으로, 전 세계 줄기세포 연구자가 주목