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오가노이드 기술 동향 및 시사점

저자 손미영 소속 한국생명공학연구원 줄기세포융합연구센터
발간일 2021-08-31 조회수 2016
발행호 제93호
첨부파일

[BioINPro 93호] 오가노이드 기술 동향 및 시사점_...(717.314 KB)

평점 5점만점에 5.0점입니다. (참여자 5명)


 

오가노이드 기술 동향 및 시사점


한국생명공학연구원 줄기세포융합연구센터 손미영image02.png


1. 개요와 현황

가. 개요

'오가노이드로 코로나19 치료제 만든다1)'와 같은 기사를 접하고 있는 최근의 현실을 생각해 보면 오가노이드라는 용어는 이제 더 이상 낯설지 않은 과학 용어이다. 

오가노이드는 장기를 뜻하는 'organ'과 유사함을 뜻하는 접미사 'oid'의 합성어로 인간의 장기와 유사한 장기유사체 혹은 미니 장기를 의미한다. 분화능(pluripotency)을 가진 줄기세포로부터 3차원 세포배양기법을 통해 특정 장기에 존재하는 다양한 세포들과 구조까지 포함하여 만들어진 장기-특이적 세포집합체이다. 현 실험실 수준에서는 인간의 장기와 동일한 크기로 만들거나 세포 다양성을 가지기는 어렵지만, 적어도 각 장기가 가지고 있는 중요 세포 유형과 구조, 기능은 모사할 수 있다. 

이렇듯 인간 세포를 기반으로 한 장기 정밀 모사가 가능한 오가노이드의 특징으로 인해 기존의 다양한 모델 시스템의 한계를 뛰어 넘거나, 동물 모델과 임상 간의 간극을 메울 수 있을 것으로 기대되고 있다. 효모(Saccharomyces cerevisiae), 예쁜꼬마선충(Caenorhabditis elegans), 초파리(Drosophila melanogaster)을 비롯하여, 척추동물로써  zebrafish 모델, 생쥐 모델 등이 주로 모델 시스템으로 이용되어 왔고, 인간 세포 모델로써 암세포주 모델과 환자유래 종양이식 생쥐(patient-derived xenografts; PDX) 모델이 활용되고 있으며, 각각의 모델은 장점과 단점을 가지고 있다(그림 1).2) 
목적하는 실험과 과학적 그리고 윤리적 관점을 고려하여 모델 시스템을 선정해야하며, 종간 차이를 극복하기 위해서는 결국 인간 세포모델을 통한 검증을 하는 것이 중요하다(표 1).3) 

 
<그림 1> 오가노이드와 다양한 모델 시스템 비교

image03.png

출처 : Nat Rev Mol Cell Biol. 2020 

 
[표1] 동물 모델과 오가노이드 모델의 과학적, 윤리적 관점

 

과학적 고찰

윤리적 고찰

동물 모델

복합적 기관 상호작용 모델링

동물 연구는 윤리적으로 논란이 많음

면역 시스템, 혈관을 포함하는 모델

동물 실험의

비용 절감, 개선, 대체는

흔히 제기되는 목표

인간과의 종()간 차이에 의한

결과 도출 문제

오가노이드 모델

제한 없는 활용 가능성

동물실험을 하지 않음,

인간의 배아, 태아를

직접적으로 사용하지 않음

리프로그래밍 기술과

유전자 교정 기술은 전례 없는

개인 맞춤 실험을 가능하게 함

배양 실험 과정에

동물-유래 시약이 포함됨 (:마트리젤)

가변성에 대한 제한이 없고,

미리 정해진 기준이 없음

몇몇 프로토콜에는

인간 배아 줄기세포를 사용함

혈관과 면역시스템이 없음

오가노이드는 특정 환자의

동의가 요구될 수 있음

몇몇 유형의 오가노이드를 위한 바이오 뱅킹 시스템이 필요함

바이오 뱅킹 시스템은

윤리적 문제가 발생할 수 있음

출처 : Science 2017
 

나. 현황

오가노이드는 두 가지 방법으로 만들 수 있다. 첫 번째 방법은 인체 조직(tissue) 샘플에 포함되어 있는 성체줄기세포(adult stem cell; ASC)를 이용하여 각 장기의 재생을 배양 접시에서 재현하는 것이다. 

2009년 네덜란드의 한스 클레버스(Hans Clevers) 연구팀에서 장 조직을 이용하여 3차원의 장 오가노이드 제작을 보고한 이후, 성체줄기세포 유래 오가노이드 기술은 급격하게 발전하여, 장, 간, 신장, 췌장, 위, 자궁, 고환, 유선 오가노이드가 보고되었다(그림 2).2) 두 번째 방법은 자가재생능(self-renewal)과 분화능을 가지고 있는 배아줄기세포(embryonic stem cell; ESC)와 리프로그래밍(reprogramming) 기술에 의해 만들어진 환자맞춤형 역분화줄기세포(induced pluripotent stem cell; iPSC)를 일컫는 전분화능줄기세포(pluripotent stem cell; PSC)를 이용하여 장기 발달과정을 실험실상에서 구현하여 오가노이드로 분화 시키는 방법이다. 최근까지, 뇌, 망막, 갑상선, 장, 위, 간, 신장, 췌장, 유선, 자궁 오가노이드가 보고되었다(그림 2).2

image04.png

<그림 2> 성체줄기세포-유래 및 전분화능줄기세포-유래 오가노이드 제작 현황
출처 : Nat Rev Mol Cell Biol. 2020
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