바이오인

차세대 플랫폼, 오가노이드

암, 희귀질환 연구, 약물 스크리닝에 독보적 활용

차세대 혁신 치료제로써, 오가노이드 주목

◈본문

줄기세포융합연구센터 이하나 전임연구원

오가노이드는 전분화능줄기세포(배야줄기세포, 유도만능줄기세포) 또는 조직으로부터 얻는 성체줄기세포로부터 제작되며, 3차원 구조를 가진 ‘장기유사체’ 또는 ‘미니장기’이다. 자기조직화를 통해 각 장기의 특이적 세포로 구성되어 기능을 재현하고 있어, 새로운 연구모델로써 각광받고 있다.

오가노이드는 2009년 네덜란드 한스 클레버스 그룹에서 성체줄기세포 유래 장 오가노이드를 확립하면서 처음 알려졌으며, 이후, 2011년 미국 제임스 웰스 연구팀에서 인간 전분화능줄기세포 유래 장 오가노이드를 제작하여 오가노이드의 발전이 본격적으로 시작되었다. 현재는 위, 망막, 뇌, 간, 신장, 폐 등 거의 대부분의 장기를 제작할 수 있게 되었으며, 2020년 이후 매년 전세계적으로 1000편 이상의 논문들이 출간되고 있다.

오가노이드는 기존의 한계점을 가진 실험동물 모델과 2차원 세포주 모델을 뛰어넘어, 종간 차이를 극복하고, 인체의 생리학적 특성을 반영한다는 것에 큰 장점이 있다. 이러한 장점을 활용하여, 오가노이드는 인체의 발생과정을 연구하는 중요한 도구로 활용되었을 뿐만 아니라, 유전적 질환 모델링, 감염 질환 및 병원체-숙주 상호작용 모델 등으로 활용하여 질환에 대한 새로운 통찰을 제공하고 있다. 실험동물 또는 2D 세포 배양에서는 관찰하기 어려웠던 질환 특성과 세균병원체와의 상호작용 연구가 가능해 지면서 치료법에 대한 연구도 활발하게 진행되고 있다.

특히, 장 오가노이드에서는 장내 미생물군과 장 조직 사이의 상호작용 연구를 통해 장의 성장 촉진, 성숙화, 염증성 장 질환 및 대사 질환에 대한 이해를 향상시키는데 큰 역할을 하고 있다. 생명(연) 줄기세포융합연구센터에서는 전분화능줄기세포 유래 3D 장 오가노이드를 활용하여 최초로 장의 건강과 질환 치료에 영향을 주는 신규 루테리 균주를 발굴하기도 하였다.

또한, 개별종양에서 발견되는 특정 유전자 돌연변이를 모델링하여 개인 맞춤형 약물 스크리닝을 가능하게 하였다. 최근 환자의 암 오가노이드 뱅크를 구축하고, 환자별 항암 화학요법과 표적 치료에 대한 반응을 예측하여, 종양학 분야의 혁신적인 변화를 주도하고 있다. 이러한 변화의 결과로 국내외에서 병원 및 기업을 중심으로 암 오가노이드 바이오뱅크가 설립되었고, 최적의 환자 맞춤형 정밀 의료를 실현하는 중이다.

최근 오가노이드는 첨단 공학 기술의 접목으로, 오가노이드-온-칩, 3D 바이오프린팅과 같은 생체공학 기술과 함께 더 복잡하고 기능적인 모델로써 발전하고 있다. 정상 조직의 생리학적 특성을 구현한 모델로, 그리고 희귀질환, 암의 기전을 밝히는 데 유용한 모델로 활용될 수 있을 것이다.

재생의학에서도 오가노이드 연구는 빼놓을 수 없는 분야이다. 고령화로 인한 재생치료제 수요의 증가와 난치성 질환으로 인한 맞춤형 재생치료의 필요성 증대, 장기이식 공여자 부족의 현실에서 오가노이드 재생치료제는 이러한 문제를 해결할 수 있는 혁신적 대안으로 급부상하고 있다. 특히, 오가노이드는 환자 본인의 세포나 줄기세포 또는 줄기세포 뱅크를 이용하여 제작할 수 있으며, 이식이 필요한 장기의 기능을 대체하거나 직접 재생이 가능하다. 와타나베 마모루 그룹에서 처음 성체줄기세포 유래 장 오가노이드 재생치료제의 임상시험에 진입하였으며, 쿠리모토 야스오 박사가 이끄는 연구팀에서는 유도만능줄기세포 유래 망막 오가노이드 시트의 임상시험에서 2년동안 추적 관찰을 통해 안전성을 확인한 바 있다. 최근 생명(연)에서는 전분화능줄기세포 유래 장 오가노이드 기반 재생치료제 연구 결과를 발표하면서 재생의학적 측면에서 오가노이드 연구에도 박차를 가하고 있다. 이외에도 간, 신장, 침샘, 눈물샘, 뼈, 뇌 오가노이드 등이 직접 재생치료제의 잠재적 대안으로 제시되었다.

이러한 연구 결과들과 더불어 얼마전 방영한 드라마 ‘지배종’을 통해 줄기세포, 오가노이드가 얼마나 우리에게 가까이 다가왔는지를 알 수 있었다. 인공배양육으로 세계적인 기업이 된 생명공학기업 BF(Blood Free)는 배양육에서 시작하여, 배양생선, 인공장기까지 제안하면서 기술 발전의 속도를 체감하게 하였다. 뿐만 아니라, 그 사이에 그려진 이해관계, 윤리적 논란, 생태계 균형 등 사회가 직면하게 될 문제에 대해 포착하고 있어, 기술의 발전과 더불어 한번쯤 합리적 대응에 대해 생각해 보게 하는 지점이 있다.

하지만, 특히 동물 복지와 치료기술의 관점에서 오가노이드 연구의 발전은 오가노이드가 갖는 이점뿐만 아니라 ‘환경적 변화’와 함께 박차를 가하고 있다. 2022년 12월 FDA가 약물에 대한 안전성과 효능시험에 대해 동물실험 의무화 조항을 삭제함에 따라, 차세대 시험법으로 오가노이드는 더욱 주목받고 있다. 2023년 생명(연)에서도 바이오 미래를 선도하기 위해 5대 미래유망기술을 선정하였으며, 이중 하나가 ‘미래바이오 장기대체 치료기술’이다. 이는 재난 및 질병, 급속한 노령화 사회에서 국민들의 건강한 삶을 지킬 수 있는 차세대바이오의약 혁신 기술로써 오가노이드 기반 바이오 인공장기를 꼽을 수 있다. 더불어 2024년 5월 국가첨단전략기술로써 ‘오가노이드 재생치료제’가 지정되면서, 오가노이드 기반 연구 및 산업의 집중적인 지원과 개발이 있을 것이다.

(전분화능줄기세포 유래)장 오가노이드 재생치료제 생체 내 유효성 평가를 진행하고 있다.

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