바이오인

- 신약개발 기반 평가 플랫폼으로 활용을 위한 장기유사체와

생체모사 시스템의 개발 중심으로 -

1. 기술의 정의

오가노이드란 (Organoid) 생체(인체) 장기와 유사한 구조 (Structure), 세포의 구성 (Cellular components), 기능 (function)을 보유한 3차원적 세포의 덩어리를 말한다. 오가노이드는 생체 내(in vivo)에서 일어나는 하나의 줄기세포로부터 다세포 장기로의 분화과정을 체외(in vitro)에서 유도하는 기술의 산물이다. 이와 비교되는 3차원 세포 스페로이드 (Spheroid)는 생체의 각 장기를 구성하는 다양한 분화된 세포를 체외에서 3차원 구조를 취하게 하여 구조와 기능을 성숙 시킨 것을 의미한다. 생체의 장기를 모사하는 장기 유사체는 오가노이드와 스페로이드 모두를 포함한다. 더 나아가 기능과 구조에서 생체유사도가 높은 장기유사체는 인공장기 분야에 포함된다.

2차원 보다 3차원 환경이 세포 고유의 기능과 생체유사도를 높이기 때문에 장기 유사체를 제작하는데 3차원 세포배양 기술이 활용되고 있다. 3차원 세포배양 기술은 크게 지지체 (scaffold) 기반, 물리적 환경 (physical environment) 기반으로 나뉜다. 세포의 3차원 배양을 위해 가장 널리 사용되고 있는 지지체는 매트리젤 (Matrigel)이며, 세포외 기질 (ECM)을 풍부하게 포함하는 콜라겐-라미닌 폴리머이다. 하지만 마우스 암세포 기원의 성분이 포함되어 있으며, 단가도 높은 편이어서, 경제적이고 효과적으로 3차원 세포배양을 위한 지지체의 개발이 요구되고 있다. 회전력, 응집력, 부착력 등의 물리적 힘을 활용한 3차원 세포배양 기술이 개발되고 있으며 물리적 힘에 의한 세포 내 신호전달계의 변화는 세포의 분화에도 영향을 준다고 알려지고 있다. 각 장기마다 특징적인 3차원적 환경을 요구하는데, 특히 생체와 유사한 탄성/경도 (elasticity/stiffness) 모사 시에 세포의 기능이 향상됨이 밝혀졌다2. 장기 유사체의 생체유사도 및 기능을 검증하기 위해서는 정성적으로 각 장기 특이적인 유전자 발현을 확인하는 수준에 있었으나, 최근 분화도를 정량적으로 평가할 수 있는 유전자 패널이 개발되었다3.

3D 바이오프린팅 기술을 이용한 장기 유사체 제작에 특히 지지체(생체재료)가 중요한 역할을 한다. 다른 3D 프린팅 기술과 다르게 장기 유사체를 3D 프린팅하기 위해서는 살아있는 세포를 프린팅 시간동안 보호하면서도 이후에는 배양과 분화가 가능한 지지체를 사용하여야 한다. 세포와 지지체를 섞어 인공장기를 프린팅하는 3D 바이오프린팅의 성공을 위해서는 각 장기 특징이 반영된 지지체의 개발이 반드시 필요하다.

장기 유사체 및 인공장기 기술의 발달로 이를 활용한 재생치료에 대한 기대감이 증가하고 있으나, 생체 내 이식이 가능한 장기 유사체 제작을 위해서는 안전성 및 효능에 대한 불안을 해소 시킬만한 기술적 진보가 필요한 상황이다. 이와 비교하여 현재 장기 유사체를 효과적으로 활용 가능한 분야는 대체조직 혹은 질환모델로써 신약개발 단계에서 체외평가 분야이다. 신약개발에서 생체 내에서 약물의 효능과 직결되는 대사안전성, 흡수도, PK/PD, 독성 등의 평가는 주로 설치류를 활용해 왔지만, 평가 시 종 간 차이에 따른 약물 대사 및 독성 차이가 한계점으로 제시 되어왔다. 최근 장기 유사체 기술은 종 간 차이의 한계를 극복할 수 있는 대안으로 인체의 약물 반응을 정확하게 예측해 줄 기술로 주목 받고 있다.

최근 환자유래 암세포로부터 유래된 오가노이드를 제작하는 기술이 발달함에 따라 환자의 유전적 변이를 반영한 오가노이드를 맞춤 항암제 선별의 도구로 사용하고자 하는 노력이 진행되고 있다. 환자 유래 암 오가노이드를 활용한 맞춤 항암제 스크리닝 플랫폼은 맞춤 함암제의 치료 효율을 높이고 부작용을 낮추어 환자의 삶의 질을 높이는데 기여하고 정밀의료의 현실화를 촉진할 것으로 기대된다.

장기 유사체를 활용한 정확한 체외평가를 위해서 여러 종류의 장기 유사체를 연결하여 인체를 모사하는 생체모사 배양시스템을 개발하여 약물 대사 및 독성평가에 활용하고자 하는 시도가 국내외적으로 진행되고 있다. 인체는 체액이 장기를 순환하면서 영양소를 흡수, 전달하고 외부물질을 대사, 배출하는 반폐쇄적인 (semi-closed) 순환계이다. 이러한 인체를 모사하는 시스템을 마이크로 유체 시스템 (microfluidic system)이라 하고, 대표적으로 소형의 칩 (chip)에 세포 구조체를 적용하여 생체를 모사하는 오간칩 (organ-on-chip)이 개발되어 있다.

이상에서 3차원 세포배양/분화 기술에 기반을 둔 장기 유사체가 인공장기로 개발되고, 또 이를 활용하는 플랫폼을 개발하는데 필요한 기술 요소에 대하여 정리하였다 (그림 1). 향후 생체모사 배양시스템 기술이 신약 개발을 위한 기반 기술로의 활용뿐만 아니라 재생치료에 직접 사용될 수 있는  급진적 발전이 있을 것으로 기대된다.

[그림 1. 장기 유사체 및 인공장기의 기술 개념도]

2. 국내외 동향

가. 국외 동향

  1) 오가노이드 동향

최근 줄기세포-기반의 개인 맞춤형 질환 모델링을 조직공학이나 신약개발에 활용하는 연구개발이 확대되는 추세이다 (그림 2). 구체적으로 질환 모델링 연구는 미국 중심에서 유럽연합, 일본 등의 추격, 중국의 약진으로 전 세계적인 경쟁 심화되고 있다. 여기에 유전자 조작 및 편집 기술, 단세포 분석기술 등 유관 연구기술의 발전과 함께 질환모델링의 활용 가능성에 대한 기대감이 고조 되고 있다. 오가노이드 제작에 관한 원천기술은 발달하여 신경, 간, 심장, 망막, 장 등 주요 장기를 구성하는 세포 유도 성공에 따른 개인 맞춤형 질환 모델 개발도 가능해 질 전망이다.

현재까지 개발된 오가노이드를 정리하면 2009년 네덜란드의 한스클레버 박사팀에 의한 성체 장관 줄기세포로부터 장관 오가노이드를 제작한 것을 시작으로 하여 다양한 장기의 오가노이드의 제작이 진행되었다4.

2013년 일본 요코하마 시립대 의대 연구팀 (Prof. Hideki Taniguchi)은 유도만능 줄기세포를 간전구세포로 분화한 뒤 탯줄에서 얻은 혈관세포와 골수에서 얻은 중간엽 줄기세포를 섞어 배양해 3차원 ‘간 씨앗(liver bud)’제작하였다5.

같은 해 오스트리아 분자생명공학연구원 (IMBA, Prof. Juergen A. Knoblich), 영국 연구팀 공동 연구팀은 환자 피부에서 얻은 유도만능 줄기세포를 배아체 형성 후 3차원 분화하여 4mm 대뇌유사기관(cerebral organoid)를 제작에 성공하였다6.

미국 솔크 생물학연구소 연구팀 (Prof. Juan Carlos Izpisua Belmonte)은 인간 피부세포를 역분화시켜 만든 유도만능 줄기세포를 신장 전구세포로 분화한 뒤 쥐 배아 신장세포와 재조합하여 3차원 미니 신장 배양에 성공하였다7.

2014년 미국 신시내티 아동병원 의학센터 연구팀 (Prof. James M. Wells)은 인간 유도만능 줄기세포를 posterior foregut 단계에서 3차원 분화하여 위 오가노이드를 제작하였다8.

2015년에는 미국 캘리포니아 버클리대 교수팀, 미국 글래드스톤 연구소 교수팀이 인간 배아줄기세포와 유도만능 줄기세포에 생물리학적 환경을 조성해주는 방법으로 공간적 3차원 분화를 유도하여 0.5mm 크기의 실제로 박동하는 미니 심장을 제작 하였다9.

2016년 미국의 national cancer institute (NCI), 영국 암 연구소 (Cancer research UK), 네덜란드의 휘브레트(Hubrecht Organoid Technology), 웰컴트러스트 생거 연구소 (Wellcome trust sanger institute) 함께 혁신적 인체 암 모델 개발기구 (Human cancer model initiative, HCMI) 라는 컨소시엄을 구성하고 인체유래의 다양한 암으로부터 오가노이드의 제작, 뱅킹, 분석을 실시하고 있다.

2017년에는 영국 캠브리지 대학 연구팀에서 사람의 간암에서 유래된 세로부터 간암 오가노이드 모델을 제작하여 맞춤치료에 활용가능성과 새로운 함암제 타겟 유전자를 발굴하는데 성공하였다10.   

[그림 2. 개발된 대표적인 오가노이드]

  2) 생체모사 시스템 개발동향

2012년 미국 하버드대 Wyss 생물공학연구원의 연구진은 마이크로 칩에 인공 폐를 만들어 신약 효과를 알아보는 실험에 성공하였다 (그림 3). 2010년에 처음 개발된 이 기술은 실제 폐의 세포구조 및 기능과 유사하며, 주요 독성 부작용으로 폐부종을 일으키는 암치료제인 ‘인터루킨-2’를 주입해 이 약물의 부작용을 최소화하는 방법을 연구하는 데 활용되었다.

2017년 미국 FDA는 생물학적 기능을 모방할 수 있도록 제작된 칩에 인간 간세포를 배양한 ‘리버 온 칩 (Liver-on-a-chip)’이 식품 및 화장품에 대한 독성을 신뢰성 있게 테스트 할 수 있는지 실험에 착수했다고 밝혔다. 이번 테스트에 활용될 칩은 미국 바이오기업 에뮬레이트 (Emulate)사가 개발한 칩으로, 칩 상에 인간 간세포를 지지시키고 혈액과 같은 액체 공급 시스템을 적용하여 지속적으로 영양분을 공급하고  또한 면역체계 구성요소를 추가해 인간 간의 대사작용에 미치는 영향의 테스트가  가능한 체외 모델로 기대된다.

미세유체 디바이스-기반 3D 세포 배양 연구도 점차 증가하고 있는 추세이며 향후 약물 탐색 플랫폼으로 활용 될 전망이다 (그림 4). 미세유체를 이용하면 정밀하고 좀 더 현실적인 모델 구축이 가능하나, 아직은 원리 증명을 하고 있는 단계이며, 실제 인체와의 유사도를 증명하는 것이 관건 일 것이다.

[그림 4. 마이크로 미세유체 디바이스 기반 3차원 세포배양 연구 동향]
출처 : V. Duinen et al., 2015, Curr Opin  Biotech

나. 국내 동향

  1) 장기유사체 (오가노이드) 동향

개인 맞춤형 줄기세포 제작 기술과 약효검색 및 독성평가를 위한 특정세포로의 분화 및 배양 증식 기술을 개발하기 위한 연구 추진 중 (줄기세포 기반 약물 평가/스크리닝 사업)에 있다. 본 사업에서 질환 발생기전의 원인 규명 및 신약개발을 위해 필수적인 줄기세포 유래 분화세포를 이용한 질환 표현형의 연구가 일부 진행 중에 있으나, 해외 연구 그룹들에 비해 줄기세포-유래 분화세포를 이용한 3차원 신약 스크리닝 및 독성 평가에 대한 연구는 미비한 것으로 보인다. 개인 연구 (개인기초 연구지원사업)로 각 단일 오가노이드 제작 사업은 진행 활발히 진행중에 있다.

병원을 중심으로한 암환자 맞춤치료제 스크리닝 용 암 오가노이드 뱅킹 사업 진행 중에 있으며, 특히 한국인 5대 고위험 암 오가노이드 뱅크 시스템 확립 진행 중 (서울 아산병원)에 있다.

각 장기별 장기 유사체를 제작하고, 이를 기반으로 하는 생체모사 시스템을 신약개발 플랫폼으로 활용하고자 하는 연구가 한국생명공학연구원 (BIG 과제)에서 2017년부터 진행 중에 있으며, 생체와 기능이 유사한 인공 간 및 간암 제작 기술을 개발하였으며, 간 유사체의 분화를 정량적으로 평가 가능한 유전자 패널 개발 하였다 (그림 5).

[그림 5. 간세포 분화도 및 3차원 배양의 정량적 평가 흐름도]

...................(계속)