바이오인

오가노이드, ‘미니장기’를 넘어 ‘인공장기’로

권오만 전임연구원

한국생명공학연구원 줄기세포융합연구센터

◈본문

 2009년 네덜란드 휴브렛 연구소(Hubrecht Institute)의 한스 클레버스(Hans Clever) 연구팀은 소장의 크립트(crypt)에 존재하는 성체줄기세포로부터 최초의 오가노이드(organoid)를 제작하여 과학 학술지 네이처(Nature)에 보고하였다. 당시 보고된 오가노이드는 실제 소장 구조와 기능이 매우 흡사했기 때문에 배양 접시에서 배양할 수 있는 초소형의 ‘장기유사체’ 또는 ‘미니장기’라 불리게 되었다. 이후 10년 남짓한 시간 동안 오가노이드 배양 기술은 급속도로 발전하여 오늘날 우리는 인간의 대부분의 장기에 대한 오가노이드를 제작할 수 있게 되었으며, 기초연구에서 산업에 이르기까지 다양한 분야에서 오가노이드를 연구모델로 사용하고 있다. 

 오가노이드가 단기간에 전 세계 연구자들의 관심을 사로잡을 수 있었던 이유는 전통적인 생물학 실험 모델의 한계를 극복할 수 있는 새로운 실험 모델로써 가능성을 보여주었기 때문이다. 오랜기간 사용되어 오던 생물학 실험 모델은 크게 두 가지로 분류할 수 있는데 한 가지는 동물 실험 모델이고, 나머지 하나는 세포 주 모델이다. 우선 동물 실험 모델은 대장균이나 효모와 같은 단세포 생물로부터 실험용 쥐와 원숭이에 이르는 포유류까지 다양한 종류의 동물들이 실험 모델로 사용되고 있다. 이러한 동물 실험 모델은 오랜 세월 동안 현대생물학의 발전에 지대한 공헌을 해왔지만 인간과의 종간 차이로 인한 한계점들이 발견되고 있으며, 연구윤리가 강화됨에 따라 실험에 사용되는 동물의 수를 줄이고, 대체 실험법을 개발하자는 요구의 목소리가 계속 증가하고 있는 추세이다. 또 다른 실험 모델인 세포 주 모델은 인체 유래의 세포를 불멸화하여 2차원 평면 배양 접시 위에서 무한히 증식시켜 생물학 실험의 재료로 사용되며 인체에서 유래된 세포를 사용하기 때문에 사람의 종 특이성을 반영한다는 장점이 있지만, 세포 불멸화와 배양기술의 한계에 따라 실제 인체 조직을 구성하는 세포와 생리활성 기능에 큰 차이가 있는 것으로 보고 되었다. 이러한 한계들로 인해 전통적인 실험 모델을 대체할 수 있는 새로운 실험 모델 개발에 대한 니즈가 있었고, 이러한 요구에 부응하여 혜성처럼 나타난 구원투수가 바로 오가노이드 배양기술이었다. 

 오가노이드는 정상 줄기세포로부터 쉽게 제작할 수 있기 때문에 실제 인체 조직의 구조와 기능을 높은 수준으로 모사 할 뿐만 아니라, 조직-특이적 줄기세포를 포함하고 있어 배양 접시에서 장기간 배양할 수 있어 불멸화에 따른 세포 특성의 변화와 같은 부작용으로부터 자유로울 수 있다. 더 나아가, 암과 같은 다양한 질환으로부터 질환 특이적 오가노이드 제작 또한 가능하기 때문에 질환 연구나 신약 개발을 위한 응용연구 등 다양한 분야에서 활용이 가능하다. 이러한 장점들로 인해 오가노이드는 현재 가장 강력한 차세대 대체 실험 모델로 간주되고 있을 뿐만 아니라 오가노이드 자체를 조직 재생을 위한 세포치료제로 활용하는 재생의학 연구도 빠르게 발전하고 있다. 이러한 추세에 따라 다양한 국가들이 오가노이드 연구 분야의 헤게모니를 선점하기 위한 치열한 각축전을 벌이고 있으며, 이미 미국과 유럽 같은 선진국은 천문학적인 금액을 투자하여 오가노이드 관련 연구 분야의 육성에 힘을 기울이고 있다. 뿐만 아니라 미국 국립암연구소(National Cancer Institute)-영국의 암 연구소(Cancer Research UK)와 웰컴 트러스트 생거 연구소(Wellcome Trust Sanger Institute)-네덜란드의 휴브렛 연구소로 구성된 인체 암 모델 연구 프로젝트(Human Cancer Models Initiative)와 같은 오가노이드 연구를 위한 국제적 연구 커뮤니티가 형성되고 있어 국경을 넘나드는 치열한 경쟁이 진행 중이다. 이러한 시대적 흐름에 뒤쳐지지 않기 위해 국내에서도 오가노이드 연구 육성을 위한 다양한 움직임들이 이미 시작되었으며, 정부 및 산업계의 투자가 매년 빠르게 증가하고 있는 추세이다. 뿐만 아니라 우수한 연구성과를 발표하고 오가노이드 연구분야를 선도하고 있는 다수의 한국인 연구자가 국내외에서 활동하고 있으며, 우수한 신진 연구 인력들이 오가노이드 분야로 빠르게 유입됨에 따라 오가노이드 분야의 국가 경쟁력이 지속적으로 커지고 있다. 이러한 흐름에 발맞춰 지난 12월 정부에서 발표한 국가전략육성방안의 12대 국가전략기술에 미래도전을 위한 첨단 바이오가 선정됨에 따라 최첨단 생체 소재이자 세포치료제인 오가노이드에 대한 관심과 투자는 앞으로도 계속 지속되고 확장될 것으로 기대되고 있다.

하지만, 빠르게 변화하는 연구 생태계에서 오가노이드 연구 분야를 선도할 수 있는 세계적인 경쟁력을 얻기 위해서는 지금 이 시점에서 다시 한 번 혁신을 이뤄내지 않으면 안된다. 흥미롭게도 최근 들어 오가노이드 분야 연구 발전 속도가 다소 주춤한 것으로 느껴지는데, 이러한 현상은 마치 오가노이드 관련 연구가 다음 단계로 넘어가기 전 잠깐 숨 고르기를 하고 있는 것처럼 느껴진다. 실제로 지난 10년 동안은 인체의 각 장기들을 모사할 수 있는 다양한 오가노이드들에 대한 제작 및 배양 기술들을 개발하는 기술확장의 시기였다면, 다음 10년은 현재의 오가노이드 기술 연구 분야는 초소형 장기유사체인 ‘미니장기’에서 기능성 장기유사체인 ‘인공장기’로 전환하는 기술 고도화의 시기를 맞이하게 될 것이다. 이러한 전환기를 성공적으로 극복하기 위해서 반드시 해결해야 할 기술 과제들이 있다고 생각되는데, 대표적인 예로는 불균일한 오가노이드를 균일하게 배양할 수 있는 표준화 기술, 초소형 오가노이드의 크기를 실제 장기에 가깝게 키울 수 있는 대형화 기술, 장기를 구성하는 복잡한 세포의 조성을 모사할 수 있는 조직화 기술 등이라 할 수 있다. 이미 오가노이드 분야를 선도하고 있는 몇몇 연구 그룹에서 문제 해결의 실마리가 되는 연구 결과들을 발표하고 있으며, 국내 연구진에서도 우수한 연구결과들을 발표하고 있다. 하지만, 이러한 연구 성과가 실마리 제공 단계에서 그치지 않고, 오가노이드 분야에서 breakthrough를 이룰 수 있는 실제 혁신으로 이어지기 위해서는 아직 넘어야 할 산이 많이 남아 있다. 그리고, 당면한 어려운 과제를 성공적으로 극복하기 위해서는 창조적인 아이디어로 혁신을 이룰 수 있는 연구진의 노력과 다양한 분야를 넘나드는 융복합 연구 문화 조성도 중요하지만 오가노이드 분야를 지속적으로 지원하고 육성하는 정부와 산업계의 노력, 그리고 후속 세대들의 많은 관심과 응원도 필요하다. 이러한 바램들이 현실로 이어질 수만 있다면 머지않은 미래에 대한민국이 오가노이드 연구분야를 선도하는 세계 최고 기술 국가가 될 거라 믿어 의심치 않는다.

[참고] 오가노이드 분야 4P분석- Paper(논문), Patent(특허), Product(산업), Portfolio(투자) -

※web site: https://www.bioin.or.kr/board.do?num=317005&cmd=view&bid=four

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