바이오인

 오가노이드의 복합체, 어셈블로이드(assembloid)

BioINwatch(BioIN+Issue+Watch): 25-56

◆︎ 인체 줄기세포를 이용한 어셈블로이드(assembloids)로 인간 특이적 신경생물학과 질병 연구가 가능할 것으로 기대

○ 인간의 뇌가 어떻게 발달하고 복잡한 신경회로를 형성하는지에 대한 이해는 신경과학의 핵심 과제 중 하나

- 특히 뇌의 좌우를 연결하는 신경섬유들이 어떻게 정확한 위치에서 교차하여 양측 간의 소통을 가능하게 하는지는 오랫동안 수수께끼였음

○ 척수와 뇌간의 복측 정중선에 위치한 바닥판(floor plate, FP)이라는 신경조직 집단은 발달 과정에서 조직화체(organizer)*라고 불리는 중요한 기능을 수행

* 형태형성인자와 축삭 안내 신호를 분비하여 주변 신경조직의 패턴화를 유도하고, 교련신경세포 (commissural neuron)의 축삭이 정중선을 정확히 교차할 수 있도록 안내하는 역할을 담당

- 이 과정이 제대로 이루어지지 않으면 뇌 발달 이상, 척수 기형 등 심각한 신경발달 장애가 발생

○ 그동안 바닥판의 기능과 축삭 안내 메커니즘은 주로 마우스, 제브라피시 등 동물모델을 통해 연구

- Netrin-1, Slit, Semaphorin 등 다양한 축삭 안내 분자들이 발견되었지만, 동물모델과 인간 사이 뇌 구조와 발달 과정에서 상당한 차이가 존재

※ 인간의 뇌는 다른 포유류에 비해 더 복잡한 피질 구조를 가지고 있으며, 신경발달 기간도 훨씬 길어 동물모델에서 얻은 지식을 인간에게 직접 적용하는 데는 한계

○ 최근 들어 줄기세포 기술의 발달로 인간 유도만능줄기세포(iPSC) 등을 활용하여 다양한 뇌 영역을 모방한 오가노이드 제작이 가능해짐

- 뇌 오가노이드는 실제 뇌조직의 3차원 구조와 세포 구성을 재현할 수 있어 인간 뇌 발달 연구의 새로운 도구로 주목

- 하지만 기존의 단일 오가노이드로는 서로 다른 뇌 영역 간의 상호작용이나 장거리 축삭 연결을 연구하는 데 한계가 존재

◆︎ 이에 연구팀은 여러 개의 오가노이드를 조합하여 조직 간 상호작용을 모델링하는 '어셈블로이드(assembloid)'를 개발

○ 인간 바닥판 오가노이드(human FP organoids, hFpO)와 인간 척수 오가노이드 (human spinal cord organoids, hSpO)를 생성 후 조합한 인간 중선 어셈블로이드 (human midline assembloids, hMA)를 구축

- 두 종류의 오가노이드를 조합하여 세 가지 형태의 어셈블로이드 시스템을 구축

※ 첫 번째는 8일차 바닥판 오가노이드와 8일차 척수 오가노이드를 결합한 2-부분 어셈블로이드로, 바닥판에 의한 척수의 복측 패턴화를 연구하는 데 사용

※ 두 번째는 8일차 바닥판 오가노이드와 22일차 척수 오가노이드를 결합한 것으로, 성숙한 교련신경세포의 축삭 안내를 관찰 

※ 세 번째는 가장 복잡한 형태로, 22일차 척수 오가노이드 두 개 사이에 8일차 바닥판 오가노이드를 구성하여 중선 구조를 배치한 3-부분 어셈블로이드. 이는 실제 뇌의 중선 구조를 모방하여 축삭의 정중선 교차와 양측 연결성 연구에 사용 

< 3가지 형태의 어셈블로이드 >

   출처 : NIH Commonfund 홈페이지, https://commonfund.nih.gov/complementarie

◆︎ 기존의 단일 오가노이드로는 연구하기 어려웠던 조직 간 상호작용과 장거리 축삭 연결을 체외에서 모델링하고, 실제 조직과 같은 활성을 확인

○ 인간 바닥판 오가노이드가 실제 바닥판 조직의 특성을 매우 잘 재현했다는 것을 확인

- 바닥판 오가노이드 85% 이상의 세포가 바닥판 핵심 마커인 FOXA2를 발현했으며, 바닥판 특이 유전자(NKX2-2, SHH, NTN1)를 높은 수준으로 발현

- 2-부분 어셈블로이드를 이용한 패턴화 실험에서 바닥판 오가노이드가 척수 조직의 복측화를 유도할 수 있음을 확인

○ 또한 양쪽 척수 오가노이드 사이에 바닥판으로 구성하여 중선을 배치한 3-부분 어셈블로이드에서 실제로 축삭들이 midline을 교차하여 반대편으로 투사하는 현상을 관찰

- 시간 흐름에 따른 실시간 이미징을 통해 축삭들이 바닥판 중선으로 진입한 후 반대편으로 나와 대측 척수 조직으로 연결되는 전 과정을 추적

※ 바닥판이 없는 대조군에서는 이러한 축삭 교차가 거의 관찰되지 않았음

< 어셈블로이드를 통해 발굴한 인간 특이적 바닥판 유전자 >

*  (A) 마우스 대비 인간에서 높게 발현되는 바닥판 특이 유전자의 CRISPR Knock-out 스크리닝을 통해 2개의 새로운 축삭 안내 조절인자(GALNT2와 PLD3)를 발견

*  (B) 대조군 대비 각 유전자가 녹아웃된 어셈블로이드에서 축삭 신호(ROB3)가 현저히 감소하여 바닥판으로의 축삭 투사(Merged/ROB3FOXA2)가 거의 없음

   출처 : Science, Midline assembloids reveal regulators of human axon guidance, 2025.7.17