바이오인

[NRF R&D Brief-2021-23] 줄기세포 및 오가노이드 ◈목차 1. 줄기세포 및 오가노이드 2. 왜 주목받고 있나? 3. 최근 많은 연구가 이루어지고 있나? 4. 최근 국내·외 연구 동향은? 5. 기초연구사업 지원 현황은? 6. 향후 기초연구사업에서 어떤 연구들이 필요한가? 7. 기초연구사업 결과들이 원천기술 확보로 이어지려면? 8. 향후 중점적으로 추진하여야 할 연구주제가 있다면? 참 고 자 료 ◈본문 1. 줄기세포 및 오가노이드 ㅇ 줄기세포란 체내 모든 종류의 세포로 분화할 수 있는 미분화 세포를 의미하며, 크게 배아줄기세포와 성체줄기세포로 존재함. 오가노이드는 이러한 줄기세포로부터 체외에서 만들어지는 3차원 조직 모사체 및 미니 장기임. ☞ 배아줄기세포란 배반포 단계의 초기 포유류 배아에서 파생된 줄기세포로, 개체에 있는 모든 조직의 세포를 만들 수 있는 만능성(pluripotency)을 가짐. ☞ 성체줄기세포란 성체의 조직 혹은 기관에 존재하고 있는 줄기세포로, 특정 세포들로 분화가 가능한 다분화능(multipotency)을 가짐. ☞ 오가노이드는 배아줄기세포 또는 성체줄기세포로부터 만들어지는 3차원 구조체로, 실제 장기의 구조 및 기능을 모사함. ※ 출처 : Hans Clevers. “Modeling Development and Disease with Organoids”. Cell, Vol.165, no.7, 2016, 1586-1597. 신근유 교수(포항공과대학교) 검토(2021.09.30.) 2. 왜 주목받고 있나? ㅇ 배아줄기세포는 개체에 존재하는 모든 조직의 세포로 분화할 수 있는 만능성을 가짐과 동시에 체외에서 무한히 배양하는 것이 가능함. 이 두 가지 특징 때문에 세포 분화 과정에 대한 기초 연구에서부터 질병 모델링과 세포치료제 개발을 위한 플랫폼으로 활발하게 활용되고 있음. ㅇ 성체 줄기세포의 주요 역할은 조직이나 기관의 세포를 유지하고 손상된 세포를 치료하는 것이기에 조직별 성체 줄기세포 분화과정에 대한 이해와 조직 특이적 분화 기술 확보는 차세대 재생의료 분야에 활용이 가능함. ㅇ 오가노이드는 체외에서 배양이 가능한 3차원 미니 장기유사체가 가진 특징으로 인해 질병발생의 기작을 이해하기 위한 기초의학을 비롯하여 재생의학과 인공장기 개발, 질병 모델링, 신약 개발 등 차세대 바이오연구 및 산업에 전반적으로 활용이 가능함. ☞ 과거 세포 모델은 암세포나 불멸화된 세포주가 주축을 이루었으나, 실제 체내에 존재하는 세포와 비교하여 생물학적 특성과 반응성에서 큰 차이를 보였음. 배아줄기세포는 암세포가 아님에도 무한히 증식할 수 있고, 다양한 조직 세포를 생산해 낼 수 있으므로 기존의 세포주 모델을 대체하는 새로운 플랫폼을 제공하였음. 특히 인간 배아줄기세포의 경우, 인간의 초기 발생을 연구하고, 다양한 인간조직 세포를 생산함으로써, 동물 모델의 한계점을 보완하는 역할로 주목받고 있음. ※ 출처 : Charles E. Murry & Gordon Keller. “Differentiation of Embryonic Stem Cells to Clinically Relevant Populations: Lessons from Embryonic Development”, Cell, Vol.132, Issue 4, 2008, 661-680. 장지원 교수(포항공과대학교) 검토(2021.09.14.) ☞ 신체 조직의 복구 과정과 재생 과정에서 성체 줄기세포와 조직 내 주변 미세환경의 상호조절 및 분화 기작을 이해하여 질병을 극복하는데 줄기세포를 활용한 치료법이 재생 의료 분야에서 대안으로 제시되고 있음. ※ 출처 : Huimin Xia, Xin Li, Weiwei Gao, Xin Fu, Ronnie Fang, Liangfang Zhang & Kang Zhang. “Tissue repair and regeneration with endogenous stem cells”, Nature Reviews Materials, no.3, 2018, 174-193. 최세규 교수(포항공과대학교) 검토(2021.09.30.) ☞ 인간 질병을 연구하는데 기반이 되었던 과거의 2차원 세포배양 모델과 동물 모델은 세포 유사성 및 생체 조직 구조의 모사성이 낮다는 점과 인간과 동물과의 궁극적인 차이점이 존재한다는 한계점을 가지고 있었음. 줄기세포 및 오가노이드는 이러한 한계점을 극복한 인간 조직 모델로, 인공장기 개발, 질병 모델링, 독성 테스트, 신약 개발 및 환자 맞춤형 치료제 개발 등의 분야에서 주목받고 있음. ※ 출처 : Aliya Fatehulla, Si Hui Tan&Nick Barker. “Organoids as an in vitro model of human development and disease”, Nature Cell Biology, Vol.18, no.3, 2016, 246-254. 신근유 교수(포항공과대학교) 검토(2021.09.30.) ...................(계속) ☞ 자세한 내용은 내용바로가기 또는 첨부파일을 이용하시기 바랍니다.

유도만능줄기세포 기반 뇌 오가노이드를 이용한 질환 모델링 연구 ◈ 서론 뇌-신경 질환의 근본적인 메커니즘을 이해하는 것은 치료제 개발에 있어서 가장 중요한 문제이다. 사람의 뇌는 다양한 기능을 가진 세포와 이들간의 복잡한 network에 의하여 구성되어 있으며, 환경, 유전형 등 여러 요인들이 복잡하게 작용하여 뇌-신경질환이 발생하는 것으로 알려져 있다. 최근 급속도로 발전하고 있는 뇌-신경계의 다양한 연구에도 불구하고 아직까지 많은 뇌-신경 질환치료제의 개발에 어려움을 겪고 있으며, 이는 복잡한 뇌-신경 네트워크의 이해를 위한 다양한 접근법이 필요하다고 볼 수 있다 [1-2]. 이러한 시도로 진행된 여러 genome-wide association studies (GWAS)연구는 뇌-신경 질환에 영향을 미치는 다양한 유전적인 변이를 보고 하였다. GWAS 데이터를 기반으로 한 질병 모델링은 유전 변이와 뇌 질환 사이의 상관 관계를 비교적 정밀하게 제시할 수 있었으며, 최근 뇌 질환의 메커니즘을 이해하는 필수적인 기술로 자리 잡았다 [3-4]. 이러한 시도와 더불어 최근 뇌-신경 질환 연구의 새로운 질환 모델로 환자 특이적인 유도만능줄기세포 (induced pluripotent stem cells, iPSCs)를 기반으로 하는 2D 뉴런 분화 및 뇌 오가노이드가 주목받고 있다. 일반적으로 질환 동물 모델은 유전적 돌연변이에 의해 유발되는 뇌-신경질환의 모델에 주로 사용되었으나, 설치류의 경우 인간과 다른 뇌-신경 네트위크 구조 및 발달 과정 등에 의하여 정확한 인간의 뇌 질환 표현형의 재현에 어려움이 보고 되고 있다 [5]. 또한 실제 환자의 조직 등의 시료를 사용하는 경우에도 환자 조직의 가용성, 조작의 어려움, 윤리적인 문제들이 제시되고 있다 [6]. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 환자의 iPSC를 기반으로 하는 2D 뉴런 분화 및 뇌 오가노이드가 그 대안으로 여겨지고 있으며 광범위한 연구가 진행되고 있다. 이번 리뷰에서는 여러 유전성 뇌-신경질환의 모델링을 위하여 사용되고 있는 뇌 오가노이드에 대한 여러 접근법에 대하여 다루도록 한다. ◈ 뇌 질환 연구를 위한 2D 분화 및 3D organoid 시스템 인간 iPSC를 사용한 뉴런 분화에 대한 첫 번째 연구는 2001년 Thomson 그룹에서 진행되었다 [7]. 해당 연구에서는 iPSC로부터 제작된 embryonic body (EB)에 fibroblast growth factor 2 (FGF-2)처리시 neural-tube를 형성하고 있는 neural rosette가 생성되는 것을 관찰하였다. 이후 여러 연구를 통하여 이러한 rosette가 ventricular radial glial cell, intermediate progenitor 및 outer radial glial cell등으로 둘러싸인 epithelial의 구조를 형성할 수 있는 것을 보여 주었으며, 이러한 구조는 인간의 뇌에서 볼 수 있는 ventricular zone (VZ) 및 subventricular zone (SVZ)과 유사함을 확인하였다 [8-9]. 이러한 분화 프로토콜은 점차 세분화되어 세로토닌 뉴런, 도파민 성 뉴런, 운동 뉴런, GABA 성 뉴런, 감각 뉴런 및 microglia 등의 특정 세포로 분화되는 프로토콜들이 확립되었다. 이와 같은 2D 배양 기반의 다양한 분화 기술은 기존의 뇌-신경질환의 메커니즘을 이해하는데 많은 기여를 했지만, 인간 뇌의 복잡성을 파악하는 데는 한계가 있었다. 특히 2D 기반의 배양기술은 뇌의 특정 영역만을 재현할 수 있으며, 이는 다양한 신경세포들의 네트위크를 파악하기에는 어려움이 있었다. 무엇보다 2D 배양을 위해서는 인위적인 세포 외 기질 (extra cell matrix, ECM)을 코팅할 필요가 있었으며, 이에 따른 세포와 ECM간의 상호작용은 실제 조직에서 보여주는 세포-세포 상호작용과는 일부 상이한 특성을 보이고 있다. 이러한 점을 극복하기 위하여 intestinal (내배엽) 및 kidney (중배엽) 오가노이드등의 기존에 개발된 분화 기술을 참조하여 뇌 오가노이드 기술이 개발되었다. 단지 내배엽/중배엽의 오가노이드와는 다르게 뇌 (외배엽)오가노이드는 성장신호인자(growth factor)를 제거로 부터 시작됨이 알려졌다. 일반적으로 뇌 오가노이드 분화는 패턴화 방식에 따라 두가지 접근법을 보인다. 먼저 외부의 조절 인자를 최소화 하는 방법으로 이를 통하여 self-guided 오가노이드 형태를 제작하는 방법이다. 다른 방법으로는 외인성 페터닝 방법으로 BMP, FGF, Nodal 및 Sonic Hedgehog등의 외인성 인자들을 추가하여 원하는 특정 영역의 오가노이드를 제작하는 방식이다 [10]. Self-guided 오가노이드의 경우는 Knoblich 그룹에서 처음 시도되었으며, 3D neuroepithelial spheroids를 matrigel에 embedded시킨후 hypoxia 및 spinning 환경에서 제작하는 방식으로 실제 인간 뇌의 발달 과정을 모방하였다 [11]. 외인성 페터닝 방법은 Sasai그룹 및 Pasca그룹에서 처음 시도되었으며, 다양한 외인성 인자를 사용하여 원하는 뇌 영역을 제작하는 방법이다 [12-13]. 이와 같은 뇌 오가노이드 기술은 최근 환자특이적인 iPSC와 접목되어 down 증후군, Rett 증후군 등의 다양한 뇌-신경계 질환에 적용되고 있다 (그림 1). 또한 최근에는 유전자가위 기술을 이용하여 좀 더 정밀한 질환 모델링이 가능해지고 있으며, 기존에 밝혀지지 않았던 다양한 치료 타겟을 제시할 것으로 기대되고 있다. ◈ 뇌 오가노이드의 한계와 가능성 뇌 오가노이드 기술은 기존의 2D 배양 및 동물모델에서 제공할 수 없었던 혁신적인 접근 방식을 제공하지만 극복해야 할 몇 가지 한계점이 존재한다. 첫째, 실제 인간 뇌의 복잡성과 재현성을 모두 만족하는 뇌 오가노이드를 제작하기 어려운 점이다. 일반적으로 복잡성을 최대한 구현하기 위해서는 다양한 방식의 외부인자를 기반으로 하는 외인성 페터닝 방식이 적용되고 있으나, 이는 필연적으로 배치간의 큰 변동성을 유발한다 [14]. 이와는 반대로 특정 부위만을 모방하는 뇌 오가노이드의 경우 배치간의 높은 재현성을 보여주지만, 뇌의 복잡한 영역들을 적절하게 표현할 수 없었다 [15]. 다른 한계는 뇌 오가노이드의 크기가 커짐으로써 발생할 수 있는 불충분한 산소 및 영양소 공급이다. 현재 개발된 대부분의 프로토콜의 경우 일반적인 확산에 의한 산소 및 영양소 공급 방법을 사용하고 있으며, 이는 뇌 오가노이드 중앙 부분에 충분한 공급이 어려워 조직의 괴사를 유발하는 것으로 알려져 있다. 최근에는 이러한 문제를 해결하기 위하여 혈관 등의 다른 세포와의 결합을 유도하는 프로토콜이 개발되고 있다 [16]. ◈ 결론 뇌 오가노이드 기술의 개발은 in vitro 시스템에서 인간 뇌의 발달 과정과 뇌-신경 질환에 대한 병인을 관찰할 수 있는 새로운 기회를 제공하였다. 최초의 뇌 오가노이드가 개발된 후 매우 짧은 시간에 광범위한 연구가 진행되고 있으며, 뇌-신경 질환 연구에 핵심 기술로 자리잡고 있다. 아직은 몇 가지 기술적인 한계로 인하여 모든 질환에 적용될 수 없으나, 나노 기술, 생체 재료 등의 다양한 방식과의 접목을 통하여 이러한 문제점을 해결하기 위한 연구들이 진행되고 있다. 멀지 않은 미래에 뇌 오가노이드 기술이 기존의 시스템을 통하여 확인하지 못하였던 뇌-신경 질환의 메커니즘을 규명하고 치료 타겟을 제시할 수 있을 것으로 기대한다. 그림1. 다양한 뇌-신경질환의 뇌 오가노이드를 이용한 모델링 ◈ 참고문헌 1Geschwind DH, Flint J (2015) Genetics and genomics of psychiatric disease. Science 349:1489-1494. https://doi.org/10.1126/science.aaa8954 2Llinares-Benadero C, Borrell V (2019) Deconstructing cortical folding: genetic, cellular and mechanical determinants. Nature Reviews Neuroscience 20:161-176. https://doi.org/10.1038/s41583-018-0112-2 3Sullivan PF, Daly MJ, O’Donovan M (2012) Genetic architectures of psychiatric disorders: the emerging picture and its implications. Nat Rev Genet 13:537-551. https://doi.org/10.1038/nrg3240 4Grove J, et al. (2019) Identification of common genetic risk variants for autism spectrum disorder. Nat Genet 51:431-444. https://doi.org/10.1038/s41588-019-0344-8 5Rosenthal N, Brown S (2007) The mouse ascending: perspectives for human-disease models. Nat Cell Biol 9:993-999. https://doi.org/10.1038/ncb437 6Quadrato G, Brown J, Arlotta P (2016) The promises and challenges of human brain organoids as models of neuropsychiatric disease. Nature Medicine 22:1220-1228. https://doi.org/10.1038/nm.4214 7Zhang S-C, Wernig M, Duncan ID, Brüstle O, Thomson JA (2001) In vitro differentiation of transplantable neural precursors from human embryonic stem cells. Nat Biotechnol 19:1129-1133. https://doi.org/10.1038/nbt1201-1129 8Shi Y, Kirwan P, Smith J, Robinson HPC, Livesey FJ (2012b) Human cerebral cortex development from pluripotent stem cells to functional excitatory synapses. Nature Neuroscience 15:477-486. https://doi.org/10.1038/nn.3041 9Edri R, Yaffe Y, Ziller MJ, Mutukula N, Volkman R, David E, Jacob-Hirsch J, Malcov H, Levy C, Rechavi G, Gat-Viks I, Meissner A, Elkabetz Y (2015) Analysing human neural stem cell ontogeny by consecutive isolation of Notch active neural progenitors. Nat Commun 6:6500. https://doi.org/10.1038/ncomms7500 10Clevers H (2016) Modeling Development and Disease with Organoids. Cell 165:1586-1597. https://doi.org/10.1016/j.cell.2016.05.082 11Lancaster MA, Knoblich JA (2014) Generation of cerebral organoids from human pluripotent stem cells. Nat Protoc 9:2329-2340. https://doi.org/10.1038/nprot.2014.158 12Kadoshima T, Sakaguchi H, Nakano T, Soen M, Ando S, Eiraku M, Sasai Y (2013) Self-organization of axial polarity, inside-out layer pattern, and species-specific progenitor dynamics in human ES cell-derived neocortex. PNAS 110:20284-20289. https://doi.org/10.1073/pnas.1315710110 13Paşca AM, Sloan SA, Clarke LE, Tian Y, Makinson CD, Huber N, Kim CH, Park J-Y, O’Rourke NA, Nguyen KD, Smith SJ, Huguenard JR, Geschwind DH, Barres BA, Paşca SP (2015) Functional cortical neurons and astrocytes from human pluripotent stem cells in 3D culture. Nature Methods 12:671–678. https://doi.org/10.1038/nmeth.3415 14Lancaster MA, Renner M, Martin C-A, Wenzel D, Bicknell LS, Hurles ME, Homfray T, Penninger JM, Jackson AP, Knoblich JA (2013) Cerebral organoids model human brain development and microcephaly. Nature 501:373-379. https://doi.org/10.1038/nature12517 15Velasco S, Kedaigle AJ, Simmons SK, Nash A, Rocha M, Quadrato G, Paulsen B, Nguyen L, Adiconis X, Regev A, Levin JZ, Arlotta P (2019) Individual brain organoids reproducibly form cell diversity of the human cerebral cortex. Nature 570:523. https://doi.org/10.1038/s41586-019-1289-x 16van Duinen V, Trietsch SJ, Joore J, Vulto P, Hankemeier T (2015) Microfluidic 3D cell culture: from tools to tissue models. Current Opinion in Biotechnology 35:118-126. https://doi.org/10.1016/j.copbio.2015.05.002 저자약력 2001-2005성균관대학교 약학대학, 학사 2005-2007성균관대학교 약학대학, 석사 2007-2011성균관대학교 약학대학, 박사 2012-2018Stanford University School of Medicine, Post-doc/연구교수 2018-현재성균관대학교 약학대학, 조교수 2020-현재Imnewrun Biosciences Inc, 부사장/팀리더 ☞ 자세한 내용은 내용바로가기 을 이용하시기 바랍니다.

신약개발 과정에서의 오가노이드 활용 현황 및 전망 김현이(연세대학교) 요약문 지난 50여 년간 2차원 배양된 세포주는 중요한 생체 외 실험모델로 분자생물학의 눈부신 발전의 바탕이 되어 왔다. 분자와 분자 간의 상호작용을 바탕으로 생명현상을 이해하고자 하는 분자생물학은 명확한 분자적 발병 기전을 바탕으로 한 합리적인 신약개발(drug discov-ery)의 꿈을 가능케 하였다. 배양 접시 위에서 배양된 세포주들은 발병기전 연구와 약물 표적 발굴은 물론 약물검색과 효능 및 독성평가에 필수적인 생체 외 실험모델로 활용되었다. 하지만 불멸화와 2차원 배양으로 인한 세포의 특성 변화는 세포주의 한계로 지적되어 왔다. 오가노이드는 줄기세포를 3차원 배양하여 만들어지는 생체 외 장기모사체이다. 오가노이드는 세포주와 비슷한 생체 외 실험모델로써 장기배양 및 동결보존이 가능하고 조작과 관찰이 용이하다는 장점을 가진다. 동시에 불멸화가 필요 없어 그에 따른 세포의 본래 특성이 유지됨은 물론 생체 내에서만 볼 수 있었던 세포 계층적, 조직학적 구조를 재현함으로써 세포보다 한 단계 높은 차원의 생리현상을 연구할 수 있는 실험모델이다. 이러한 특성으로 인해 오가노이드는 신약개발을 위한 전임상의 모든 단계에서 기존의 실험모델들을 대체, 혹은 보완하는 방식으로 빠르게 자리매김할 것으로 보인다. Key Words: 신약개발, 오가노이드, 질환 모델링, 약물검색, 유효성 평가, 독성 평가 [목 차] 1. 서론 2. 본론 2.1. 질환 모델링 2.1.1. 감염병 (Infectious disease) 2.1.2. 유전질환 (Hereditary disease) 2.1.3. 암(Cancer) 2.2. 표적 발굴 및 표적의 표적의 유효성 유효성 평가 2.3. 유효 물질 발굴을 발굴을 위한 물질 검색 2.4. 선도 물질 발굴을 발굴을 위한 유효성 유효성 및 독성 평가 3. 결론 4. 참고문헌 ...................(계속) ☞ 자세한 내용은 내용바로가기 또는 첨부파일을 이용하시기 바랍니다.

오가노이드 활용, 인간 재조합 단백질 치료제 효증 입증 - 혈관, 신장 오가노이드 활용하여 코로나19 감염을 5000배 지연 확인 ※ imba(’20.4.2., 인터넷 소식지) FIGHTING SARS-COV-2 IN HUMAN BLOOD VESSEL ORGANOIDS ㅇ 오스트리아, 캐나다, 스웨덴, 스페인 과학자 그룹, 인간 오가노이드에서 hrsACE2*의 작용 기전 확인. 셀紙 게재** * 재조합 인간 ACE2 단백질(human recombinant soluble ACE2)로, Apeiron Biologics社가 개발하였으며, 약물명은 APN01. 임상 1상 및 폐질환자를 대상으로 2상 진행중. ※ (참고) 2019-nCoV 바이러스 표면의 스파이크 단백질이 폐와 같은 인체 호흡기 세포 표면에 발현된 수용체인 `안지오텐신전환효소(ACE)2`와 결합하면서 사람을 감염 ** (논문제목) Inhibition of SARS-CoV-2 infections in engineered human tissues using clinical-grade soluble human ACE2 - 본 연구는 세포수준에서 코로나19 바이러스와 hrsACE2의 상호작용에 대한 이해와 바이러스가 어떻게 혈관과 신장에 감염 시키는 지에 대한 인사이트 제공(오가노이드는 테스트 모델 역할) ※ (참고) 작용기전은 혈관벽 등에 존재하는 ACE2 수용체가 코로나 19 바이러스와 결합하지 않고 혈관에 떠다니는 재조합 수용성 hrsACE2와 대신 결합함으로써 숙주세포에 침입을 막음(경쟁자로써의 역할) - ACE2 수용체는 폐, 심장, 혈관, 장, 신장에서도 발현됨을 확인하였으며, 이는 왜 코로나19가 다양한 장기 기능장애를 일으키는지 근거 제공 ☞ 자세한 내용은 내용바로가기 또는 첨부파일을 이용하시기 바랍니다.

환자 유래 대장암 오가노이드의 특성 분석 정보집 목 차 Ⅰ. 개요 ······························································································· 1 Ⅱ. 대장암 오가노이드의 특성 분석 방법 ································· 5 Ⅲ. 대장암 오가노이드의 특성 분석 결과 ································ 12 Ⅳ. 의의 ······························································································· 18 V. 참고문헌 ························································································ 20 Ⅰ 개 요 1. 배경 오가노이드 기술 도입 이후 암 오가노이드를 이용한 다양한 연구들이 활발하게 이뤄지고 있다. 원발암의 유전적, 형태적 특징 등 인체에서의 많은 특징이 암 오가노이드에서 유지되고 있다고 보고되고 있으며, 이러한 유용성에 기반하여 국내외 여러 기관에서 암 오가노이드 바이오뱅크 사업을 추진하고 있다. 대량의 뱅킹 사업이 시작되면 의약품 평가, 예측, 기전연구 등 암 연구에 암 오가노이드가 본격적으로 활용될 것으로 사료된다. 하지만 아직까지 암 오가노이드를 이용한 모델에서 정형화되거나 표준화된 실험 플랫폼은 부족한 상황이다. 따라서 본 정보집에서 환자유래의 암 오가노이드를 이용한 표준 실험 플랫폼 확립을 위해 필요한 가장 기본적인 암 오가노이드의 특성을 분석하고 해당 정보를 제공하고자 한다. 2. 대장암 오가노이드의 in vitro 특성 분석을 위한 항목 대장암 환자의 임상 정보 및 암 조직으로부터 대장암 오가노이드를 확립하고, 해당 암 오가노이드의 특성 분석을 위해 세포의 형태학적 관찰, 성장속도, 종양 관련 단백질 발현, 항암제 세포독성시험, 항암제에 의한 세포사멸 경로 등 총 5가지의 in vitro 시험 항목을 설정하였다. (1) 형태학적 특성 시간이 지남에 따라 세포의 특성이 변하지 않고 잘 유지되고 있는지 확인 가능한 가장 간단한 방법이자 기본적인 방법은 세포의 외형적 특징을 관찰하는 것이다. 같은 종류의 세포는 계대 반복에 따른 시간의 흐름에도 동일한 세포 모양과 크기 등의 형태를 유지해야 한다. 환자 조직으로부터 암 오가노이드의 구축에 성공한 문헌들에 따르면, 성공적으로 암 오가노이드가 형성된 경우 공통적으로 둥근 구형의 세포 형태를 보인다. 이러한 기본 특징을 비롯하여 세포의 크기, 육안상으로 관찰되는 세포 표면의 특징, 세포 조밀도, 계대 진행에 따른 전반적인 특성 유지 등을 관찰함으로써 암 오가노이드의 형태학적 특성을 확인할 수 있다. ...................(계속) ☞ 자세한 내용은 내용바로가기 또는 첨부파일을 이용하시기 바랍니다.

오가노이드(Organoids) 시장현황 안지영 연구원 한국바이오경제연구센터유종만 대표 오가노이드사이언스 최근 10년 동안 과학자들은 장기유사체 ‘오가노이드(Organoids)를 개발해 왔음. 올 해 8월 30일 샌디에고(San Diego) 캘리포니아 대학 연구진은 ‘미니 뇌’를 개발하는데 성공함(Science News). 앞으로 오가노이드를 활용한 연구가 활발히 진행될 예정임. ■ (오가노이드 정의) 오가노이드(Organoids)란? 오가노이드란 장기유사체 혹은 미니 장기라고 불리우며 실제 장기기관의 기능 및 구조를 닮아 있는 자가조직화(self-organizing)가 가능한 3차원(3D cell culture) 세포 집합체로 정의 됨. 오가노이드는 1957년 Etienne Y.에 의해 만들어 졌음. 2009년도 Hans Clevers 연구팀은 3D 배양을 통한 보다 정교한 구조의 장 오가노이드를 개발하였고 네이쳐(Nature)지에 이 연구가 실리게 되면서 오가노이드를 통한 암연구 및 세포 연구가 활발하게 되었음. 오가노이드는 일반적으로 신약개발, 인공장기 개발 및 질병치료에 활용될 수 있음. 새로운 약물을 발견하는데 오가노이드를 사용하여 실험이 가능하고 장기적으로는 조직(장기)을 대체할 수 있음. 오가노이드는 향후 장기 이식 목적 및 세포 치료에 사용될 수 있음. 오가노이드는 질병 치료를 위한 환자별 모델을 제공할 수 있음. 희귀병을 앓고 있는 환자도 오가노이드를 활용하여 희귀병 관련 오가노이드를 만들어 치료체계를 규명해낼 수 있음. 오가노이드 종류 및 활용부분을 자세히 살펴보면 다음과 같음. ■ 오가노이드 종류 여러가지 오가노이드 종류가 만들어지고 있으나, 가장 대표적인 오가노이드 종류는 다음과 같음. 출처 : BCC Research, 경제연구센터 재구성 ...................(계속) ☞ 자세한 내용은 내용바로가기 또는 첨부파일을 이용하시기 바랍니다.

줄기세포 유래 오가노이드의 활용 : 질환 모델링 및 치료제 개발 김형식 부산대학교 치의학전문대학원 hskimcell@pusan.ac.kr 1. 서론 2015년 낭포성 섬유증으로 고통받던 환자가 최초로 자신의 조직 유래의 오가노이드 기반 약물 스크리닝 테스트를 통해 얻은 정보를 활용하여 치료를 받았다. 이 사례로 인해 오가노이드 기반 기술이 연구에서 실용화로 빠르게 발전하고 있으며 다양한 질환의 모사와 치료법 개발에 오가노이드 플랫폼이 광범위하게 활용되고 있다. 오가노이드란 용어는 단순하게는 장기를 닮은, 즉 장기유사체를 의미한다. 오가노이드는 자가조직화(Self-Organization), 다세포성(Multicellularity), 기능성(Functionality)의 세 가지 특성을 가지고 있어야 한다. 즉, 오가노이드는 생체 내 장기와 유사하게 생체 외에서 3차원 형태로 조직화되어야 하며 장기와 유사한 다양한 세포를 포함하고 있는 동시에 해당 장기의 일부 기능을 재현할 수 있어야 한다. 이러한 오가노이드 생산기술의 핵심은 자기재생능(Self-Renewal)과 다분화능(Multipotency)을 보유하고 있는 줄기세포의 배양과 유지 및 분화 유도 기술이며 적절한 조건에서 줄기세포를 배양하면 장기 또는 조직과 유사한 구조의 오가노이드를 생산할 수 있다. 연구자들은 발생단계에서 특정 장기의 생성과 성숙 등을 위한 핵심 신호물질을 발굴하고 이를 생체 외에서 모사함으로써 새로운 오가노이드를 생산하는 방법을 발굴하고 최적화해가고 있다. 오가노이드 생산을 위한 줄기세포는 크게 만능줄기세포와 성체줄기세포의 두 종류로 나눌 수 있다. 배아줄기세포나 유도만능줄기세포와 같은 만능줄기세포의 경우 정밀한 분화 제어를 통해 정확한 조직 형태를 가진 오가노이드로 분화시켜야 하며 성체줄기세포의 경우 특정 장기 내에 존재하는 장기 특이적 줄기세포의 재생기전을 모사한 분화 조건을 활용하여 상대적으로 간단하게 오가노이드를 생산할 수 있다. 현재까지 매우 빠른 속도로 다양한 장기에 대한 오가노이드 제작과 방법이 보고 되고 있다. 장, 간, 폐, 뇌, 신장, 췌장 등을 비롯하여 다양한 오가노이드 제작과 이를 활용한 연구가 전 세계적으로 활발하게 진행되고 있다. 또한, 암 치료 분야에서도 균질한 암 세포주와 불균질한 실제 종양조직 간의 차이점을 개선한 약물 스크리닝 플랫폼으로서 암 오가노이드(Tumoroid)가 활용되고 있다. 이러한 오가노이드는 장기의 발생, 항상성 및 재생기전 연구, 환자유래 오가노이드 뱅킹, 질환 모델링, 약물 개발 및 맞춤형 치료, 조직 재생 등의 다용한 목적으로 활용될 수 있다. 본 리뷰를 통해 현재까지 보고된 오가노이드의 종류와 활용에 대해 살펴보고자 한다. 2. 본론 2-1. 오가노이드의 종류 오가노이드 제작 기술을 활용한 내배엽, 중배엽, 외배엽의 모든 3배엽 유래 장기에 대한 오가노이드 생산이 보고되었으며 가까운 미래에 대부분의 장기 또는 조직에 대한 오가노이드가 확보될 것으로 예상된다 (그림 1). 대표적인 오가노이드의 종류를 각 장기의 유래 배엽에 따라 분류하면 아래와 같다. 1) 내배엽성 오가노이드 내배엽은 소화기, 호흡기의 상피층과 폐, 간, 담낭, 췌장, 방광 등의 장기를 만들어낸다. 이러한 내배엽 유래의 여러 장기에 대한 오가노이드 제작 방법이 이미 확립되어 있다. 첫 번째로 보고된 오가노이드는 성체줄기세포를 활용하여 제작된 마우스 소장 오가노이드이다. 장에서는 상피층 구성과 유지를 위해 상피세포증식인자(EGF), 윈트 (Wnt) 신호전달물질, 골형성단백질(BMP)의 세 가지의 핵심 인자의 역할이 중요하며 EGF와 Wnt는 움(Crypt) 부위에서 BMP는 융모(Villi) 부위에서 활성을 나타낸다. 이러한 미세환경을 모사하기 위해 Toshiro Sato는 세포외 기질(Matrigel)을 활용하여 성체 상피 줄기세포를 3차원 형태로 배양하면서 Wnt 신호전달 경로의 작용제인 R-spondin 1과 EGF, 그리고 BMP 신호전달 경로의 길항제인 Noggin을 첨가하였다. 이 조건에서 장 줄기세포가 증식하여 장 상피층을 구성하는 모든 세포가 포함된 장과 유사한 구조의 오가노이드를 만들어낼 수 있고 무한대로 증식시킬 수 있음이 확인되었다. 이 기술은 순차적으로 타 장기 또는 조직 오가노이드 생산에도 적용되어 사람의 장, 마우스와 사람의 위, 췌장, 간, 전립샘, 식도, 담낭, 미뢰 등 다양한 오가노이드 제작에 기여하였다. 성체줄기세포뿐만 아니라 만능줄기세포로부터 생성된 다양한 내배엽성 오가노이드가 존재한다. 현재까지 보고된 사람 만능줄기세포 유래 오가노이드는 소장, 폐, 간, 갑상샘, 위, 췌관, 담관 등이 있다. 위 오가노이드의 경우 최근에 기존의 장 오가노이드 제작기술을 기반으로 그 배양 기술이 확립되었으며 Kyle McCracken이 마우스의 위는 발생 과정에서 레티노산(Retinoic Acid) 신호전달이 필요함을 규명함으로써 가능해졌다. 즉, 레티노산의 첨가는 만능줄기세포의 분화를 후장(Hindgut)에서 전장(Foregut) 방향으로 유도하였으며 이후 장 오가노이드와 유사한 배양환경에서 위 오가노이드가 생성되었다. 하지만 위 오가노이드의 경우 지속적으로 배양하면서 산을 분비하는 벽세포(Parietal Cell)가 사라지는 점 등은 아직까지 해결해야 할 문제점으로 남아 있다. 최근의 또 다른 오가노이드 기술의 발전 사례로는 만능줄기세포로부터 신경계가 포함된 장 오가노이드 제작에 성공한 보고가 있다. 즉, 유도만능줄기세포 유래의 신경능선(Neural Crest) 세포를 Matrigel 내에 장 오가노이드와 함께 배양하였을 때 신경세포가 장 상피 오가노이드를 둘러싸고 있는 중배엽 층으로 이동하여 생체 내 이식 시 자극에 의해 장 오가노이드의 수축을 유도하는 기능까지 나타낸다는 것이 보고되었다. 2) 중배엽성 오가노이드 중배엽은 간엽, 조혈계, 근육, 연골, 뼈, 신장, 비장, 생식샘, 생식관을 형성한다. 이 중 신장은 굉장히 복잡한 장기 중 하나로 20종류 이상의 분화된 세포로 구성되며 이 세포들의 3차원 배열이 기능적으로 매우 중요하다. 신장의 기본 단위인 네프론(Nephron)의 전구 조직인 요관아(Ureteric Bud)와 후신간엽(Metanephric Mesenchyme)의 경우 두 조직 모두 같은 중배엽(원시선, Primitive Streak)에서 유래하며 만능줄기세포로부터 각각 분화는 가능했으나 동시에 두 조직이 혼재된 오가노이드를 생산하지 못하고 있었다. Melissa Little의 연구실에서 이를 해결할 프로토콜이 보고되었다. 즉, Activin A와 BMP4가 포함된 배양을 통해 만능줄기세포를 원시선으로 유도하고 이후 FGF9 자극을 통해 중간중배엽(Intermediate Mesoderm)으로 유도함으로써 두 가지 조직이 동시에 포함된 신장 오가노이드 생성이 가능하게 되었다. 이후 Wnt와 FGF9 신호전달 제어 시기와 간격을 정밀하게 조절함으로써 현재의 신장 오가노이드 제작 기술이 확립되었다. 또한 다른 중배엽성 오가노이드로서, Notch, Wnt 신호전달 경로 제어를 통해 성체줄기세포 유래의 나팔관 오가노이드 제작이 가능함이 2015년 보고되었다. 3) 외배엽성 오가노이드 외배엽은 중추신경계, 감각상피, 뇌하수체 등을 포함한 모든 신경조직뿐만 아니라 치아의 에나멜 층, 표피 및 유선, 침샘과 같은 샘조직 등을 형성한다. Yoshiki Sasai 연구실에서는 비부착성 배양접시에서 무혈청 배양 환경으로 배아줄기세포를 배양하여 배상체(Embryoid Body)와 유사한 세포 덩어리를 만들었고 이로부터 특정 배양 조건에 따라 안배(Optic Cup), 소뇌, 해마, 샘뇌하수체 오가노이드를 제작하였다. 뇌 오가노이드의 경우, Madeline Lancaster는 배상체로부터 유도한 신경외배엽을 특정 성장 인자의 첨가 없이 Matrigel에 심었고 이 조건에서 여러 가지 뇌 부위로 분화되는 싹(Bud)이 자라나는 것을 확인하였다. 작은 바이오리액터에서 배양된 이 ‘미니 브레인’은 수 밀리미터에 이르도록 배양이 가능했으며 단일 세포 분석 결과 배아의 뇌와 유사한 성상을 가지고 있는 것이 확인되었다. 4) 암 오가노이드 오가노이드 기술은 종양 생검 조직에서 분리된 세포의 3차원 배양을 통해 암 오가노이드(Tumoroid)를 만들고 개인별로 적합한 치료제를 찾기 위한 용도로 활용되고 있다. 이미 결장-직장암, 췌장암, 유방암, 전립선암, 뇌종양, 방광암 등의 종양조직 또는 전이조직 등의 다양한 종양 유형별로 암 오가노이드가 확립되어 있다. 확립된 암 오가노이드는 생체 외에서 무한정 계대배양을 통한 증식 유도가 가능하며 개개인 환자 유래의 다양한 암 오가노이드를 뱅킹하는 단계에 이르러 있다. 이러한 암 오가노이드는 전체 유전체 또는 엑솜 서열 분석 등의 유전체 분석을 통해 오가노이드 종류별로 보존된 변이를 파악하고 치료 타깃을 발굴하는 형태로 활용될 수 있다. 또한 사람 암 오가노이드를 마우스에 이종이식하였을 때 생체 외에서 확인된 약물반응과 유사한 양상이 생체 내에서도 관찰된다는 연구결과가 다수 보고되었다. 이러한 암 오가노이드는 단일 세포로부터 생성이 가능하기 때문에 단일 세포 수준에서 종양의 불균질성, 변이, 전사체 또는 후성유전체, 약물반응 연구 등에도 활용될 수 있다. 최근에는 CRISPR/Cas9 유전자 교정 기술과의 융합을 통해 정상 오가노이드의 특정 종양 관련 유전자에 변이를 일으켜 암 생성 기전을 연구하기 위한 용도로도 활용되고 있다. 그림 1. 오가노이드의 종류 및 제작 기술 Journal of Molecular Medicine (2017) 95: 729-738 2-2. 오가노이드의 활용 오가노이드는 의생명과학 분야의 새롭고 유용한 도구로서 기초에서 응용, 실용화에 이르기까지 다양한 분야에 광범위하게 활용되고 있다. 즉, 장기의 발생단계 또는 항상성 유지 및 재생에서 특정 신호의 역할 규명과 같은 중요한 기초 연구뿐만 아니라 난치질환 모델링과 치료법 개발, 변이가 교정된 오가노이드 이식을 통한 재생 치료 등의 목적으로 활용되고 있다 (그림 2). 1) 장기의 발생, 항상성 및 재생 연구 오가노이드는 장기의 발생, 성숙, 유지, 재생 기전을 연구하기 위한 ‘최소의 시스템’으로서 기초 연구분야에서의 그 가치가 높다고 할 수 있다. 조직의 자가 재생 기전 등은 주변 조직 및 세포 등에 의한 영향 때문에 생체 내에서 현재까지의 연구기술로는 정확하게 규명하기 어려웠으며 오가노이드를 통해 새로운 핵심 인자들이 규명 또는 검증되고 있다. 예를 들어, 성체줄기세포 유래의 장 오가노이드의 경우 움(Crypt)으로부터 분리한 줄기세포가 상피하 중간엽 세포 또는 조직이 없는 상태에서 완전히 상피층을 다시 만들어 낼 수 있다. 만능줄기세포 유래의 안배 오가노이드의 경우도 표면 외배엽 유래의 신호가 없는 상태에서도 안포가 자동적으로 형태형성 과정을 거쳐 생성됨이 보고되었다. 오가노이드의 주요 장점 중 하나는 동물 모델보다 실험적 접근이 훨씬 간편하지만 기존의 2차원 배양 세포보다 장기 또는 조직과 훨씬 유사하다는 점이며 이러한 장점 덕에 장기 생성과 관련된 더욱 깊이 있는 연구결과를 얻을 수 있었다. 특히, 장 오가노이드의 경우 가장 먼저 오가노이드 확립과 연구가 이루어지며 이전에 몰랐던 많은 장 항상성 유지 및 재생과 관련된 핵심 기전이 밝혀졌다. 예를 들어, 마우스의 Lgr5 유전자를 발현하는 장줄기세포가 자기재생이 가능한 콜로니를 형성하는 능력은 줄기세포 주변에 분포하는 파네스 세포(Paneth Cell)에 의한 것임이 보고되었다. 실제로 파네스 세포는 장줄기세포의 유지를 위해 필수 인자인 WNT 리간드를 높은 수준으로 발현하고 있다. 오가노이드를 활용한 연구를 통해 WNT 단백질이 확산을 통해 흩어지는 것이 아니라 파네스 세포로부터 주변 장줄기세포로 전달되며 줄기세포 분화가 진행됨에 따라 딸세포로 희석되어 전달되는 것이 확인되었다. 이러한 연구 결과는 파네스 세포가 장 줄기세포가 존재하는 움(Crypt)에 분포하는 근거를 제시함과 동시에 파네스 세포가 줄기세포의 미세환경(Niche)임을 검증한 사례이다. 오가노이드를 활용함으로써 윤리적 문제로 인해 사람 배아 또는 태아 조직을 사용하기 매우 힘든 이유로 그동안 연구가 힘들었던 사람 발생 및 장기 형성 연구가 가능하게 되었다. 또한, 사람 오가노이드와 동물 모델 또는 동물 유래 오가노이드를 비교함으로써 종별 발생의 유사한 점과 차이점을 규명하는 연구가 가능하다. 장 오가노이드 연구를 통해 사람과 마우스 장의 발생학적 기전이 공통적인 부분이 많음이 밝혀진 반면 안배 오가노이드 연구에서는 사람과 마우스의 안배 형성 기간 및 형태형성 기전이 상이함이 보고되었다. 2) 질환 모델링, 약물 개발 및 맞춤 의학 기존의 단일 세포 배양에 비하여 오가노이드가 가지고 있는 명백한 장점은 바로 장기 또는 조직 수준에서 질환의 모사가 가능하다는 것이다. 즉, 환자의 성체줄기세포 또는 유도만능줄기세포 유래의 오가노이드는 질환의 특정 표현형을 나타내기 때문에 중개연구에 적합한 질환 모델 플랫폼을 제공한다. 따라서 다양한 유전질환, 숙주-병원체 상호작용, 종양 연구를 위한 오가노이드 플랫폼이 이미 개발되었으며 각 질환별로 알려진 병리학적 특징을 나타낸다는 것이 검증되었다. 예를 들어 헬리코박터 파일로리 균을 주입한 사람 위 오가노이드의 경우 세균 감염의 전형적인 증상인 궤양 등이 관찰된다. 이러한 사람 오가노이드 모델은 종간 질환의 진행과 증상이 상이한 경우 더욱 중요한 실험적 도구로 활용될 수 있다. 즉, 헬리코박터 파일로리 균을 마우스에 감염 시키면 사람과 유사한 증상이 관찰되지 않기 때문에 동물 모델을 통한 연구가 어려우며 이러한 질환에서는 현재로서는 거의 유일한 실험 플랫폼이라 할 수 있다. 오가노이드를 활용한 사람의 질환 모델링이 가능해짐으로써 오가노이드는 약물 스크리닝 플랫폼으로 이용되기 시작했다. 예를 들어, 사람 만능줄기세포 유래의 피질 신경 전구세포 또는 오가노이드를 활용하여 지카 바이러스 감염을 치료하기 위한 약물 스크리닝이 진행된 바 있다. 그뿐만 아니라 CFTR 유전자의 변이로 인한 유전 질환인 낭포성섬유증 치료를 위해 오가노이드가 약물 테스트 플랫폼으로 활용된 고무적인 사례가 있다. 환자유래의 CFTR 변이가 존재하는 장 오가노이드를 활용하여 개인 맞춤치료를 시도한 경우로 매우 드문 CFTR 변이가 있어 해당 변이 치료를 위한 알려진 약물이 없는 환자 유래의 장 오가노이드를 활용하여 기존의 낭포성섬유증 약물에 대한 반응을 스크리닝 함으로써 치료 효과를 최적화한 사례이다. 이러한 약물 스크리닝 플랫폼으로서의 오가노이드는 대량 고효율 스크리닝(High Throughput Screening)이 가능한 수준으로 고도화되고 있으며 사람 신장 오가노이드의 경우 자동화된 오가노이드 생성과 약물 효능 분석 시스템이 보고된 바 있다. 오가노이드 바이오뱅크를 통해 개인별, 인종별 유전적 차이를 극복할 수 있는 강력한 스크리닝 플랫폼을 구축하고자 하는 시도가 이루어지고 있다. 예를 들어 낭포성섬유증 환자유래 장 오가노이드 뱅킹을 통해 대부분의 CFTR 변이를 발굴하고 반응성이 높은 약물정보를 확보할 수 있다. 이러한 오가노이드 바이오뱅크는 변이의 수가 훨씬 다양한 종양에 대한 약물 스크리닝을 위해 더욱 필요하다. 첫 번째 암 오가노이드 뱅킹은 사람에서 발병 빈도가 높은 결장암에 대해 시도되었으며 현재는 다양한 암 오가노이드 뱅킹이 진행되고 있으며, 오가노이드를 활용한 생체 외 약물반응과 실제 환자의 임상적 반응을 비교하는 형태로 데이터가 누적되고 있다. 3) 재생 의학 오가노이드 기술의 궁극적 목적 중 하나는 이식 가능한 조직 또는 기능성 세포 치료제의 원천으로서 활용하는 것이다. 동물 모델에서는 이미 이러한 개념이 검증된 사례가 있다. 안배 오가노이드 제작프로토콜을 활용해 만든 마우스의 배아 또는 유도만증줄기세포 유래 망막세포 시트를 마우스 망막변성 모델에 이식하여 광 반응성이 회복되는 것을 보고한 실험 사례가 있으며 마우스 결장 오가노이드를 이식하여 점막 손상을 재생한 사례도 있다. 이러한 동물모델에서의 이식 성공 사례는 간, 신장 오가노이드의 경우도 보고되었다. 오가노이드는 이식하고자 하는 세포뿐만 아니라 미세환경 역할을 하는 다른 세포가 같이 존재하며 안정적인 구조를 가지고 있다는 점에서 단일 세포 치료법에 비해 높은 이식 효율을 보이는 것으로 여겨지고 있다. 재생의학적 목적의 오가노이드 활용은 생체 외 유전자 교정기술과 융합함으로써 극대화될 수 있다. 한 사례로, 낭포성섬유증의 가장 보편적인 CFTR 변이를 가진 환자 유래의 장 오가노이드를 CRISPR/Cas9을 이용하여 유전자 교정을 하였을 때 정상 기능을 하는 오가노이드로 교정될 수 있음이 보고되었다. 비록 아직까지는 오가노이드의 재생의학적 적용은 초기 단계의 분야이지만 오가노이드 이식 또는 유전자 교정의 안전성과 모니터링 기술의 개선에 따라 활용 가능한 기술로서 발전할 수 있을 것으로 기대된다. 그림 2. 오가노이드의 활용 분야 Nature Reviews Genetics (2018) 19: 671-687 3. 결론 오가노이드의 제작과 활용 기술은 매우 빠른 속도로 발전하고 있으나 한계점이 다수 존재한다. 아직까지 모든 종류의 오가노이드가 특정 장기 또는 조직의 모든 세포를 포함하고 있지는 않으며, 배양과정 중에 특정 세포가 사라지는 등의 해결 방법을 찾지 못한 사례도 존재한다. 또한 대부분의 질환은 특정 장기 자체의 세포뿐만 아니라 근육세포, 혈관세포, 신경세포, 면역세포, 미생물총 등과의 상호작용을 통한 병인 기전이 포함되기 때문에 보다 유사한 질환 모델링을 위해서는 모든 미세환경이 포함된 오가노이드의 성숙화 기술 개발이 필요하다. 재생의학적 분야에서는 대부분의 오가노이드 제작이 암세포 유래 세포외 기질성분으로 구성된 Matrigel에 의존하고 있다는 점과 아직까지 오가노이드의 크기 자체가 이식 수준에 미치지 못한다는 점 또한 문제점이다. 이러한 한계점을 극복하기 위해 오가노이드의 크기와 수명을 증가시키고 결여된 세포 또는 조직을 포함시키고 미세환경과 자가조직화를 제어하기 위한 다양한 접근법이 제시되고 있으며 이러한 다양한 융복합적 접근법을 통해 질환 모델링과 치료제 개발 및 재생의학 분야에서 오가노이드의 활용도는 점점 높아질 것으로 기대된다 (그림 3). 그림 3. 오가노이드의 한계점 극복을 위한 접근법 Nature Reviews Genetics (2018) 19: 671-687 4. 참고문헌 1. Rossi, Giuliana et al. (2018) Progress and potential in organoid research. Nature Reviews Genetics 19, 671-687. 2. Dutta, Dnevanjali et al. (2017) Disease Modeling in Stem Cell-Derived 3D Organoid Systems. Trends in Molecular Medicine 23, 393-410. 3. Bartfeld, Sina et al. (2017) Stem cell-derived organoids and their application for medical research and patient treatment. Journal of Molecular Medicine 95, 729-738. 4. Artegiani, Benedetta et al. (2018) Use and application of 3D-organoid technology. Human Molecular Genetics 27, R99-107. ☞ 자세한 내용은 내용바로가기 또는 첨부파일을 이용하시기 바랍니다.

암 연구를 위한 오가노이드(Organoids) 모델 요약문 최근 오가노이드(Organoids)를 포함한 삼차원 배양 기술의 발달은 생리학적으로 좀더 가까운 암 연구 모델들을 개발하기 위한 새로운 방법을 제시하고 있으며 이러한 전임상 모델들은 기초연구의 결과들을 더 효과적으로 실제 암환자를 위한 치료방법으로 적용하기 위해서 필수적이다. 정상적인 오가노이드는 배아 및 성체 줄기세포로부터 배양될 수 있고 자가 형성 능력을 보여주며 여전히 그 유래한 기관들의 중요한 특성들을 나타낸다. 오가노이드의 유전적인 조작을 통해 생리학적인 환경과 유사한 조건을 가지는 질병 모델을 만드는 것이 가능하며, 또한 오가노이드는 환자들로부터 유래한 정상 및 암조직들로부터 매우 높은 효율로 배양될 수 있기때문에 환자 특이적인 약물 테스트 와 개인 맞춤형 치료법의 개발을 가능하게 한다. 본 리뷰논문요약은 암세포 유래 오가노이드의 형성 방법과 오가노이드가 암 연구에 있어서 대체 모델로 어떻게 사용될 수 있는가에 대한 설명을 하고있다. 본 자료는 Organoids in cancer research. Nat Rev Cancer, 2018 Jul;18(7):407-418.의 논문을 한글로 번역, 요약한 자료입니다. 목차 1. 서론2. 기존 암 연구 모델 2.1 암 세포주 2.2 조건적 재구성법 2.3 환자 유래 암세포 이식법 3. 오가노이드4. 임상적용 연구를 위한 오가노이드 기술 4.1 암 조직 유래 오가노이드 4.2 생체 오가노이드 은행 4.2.1 대장암 오가노이드 생체은행 4.2.2 췌장암 오가노이드 생체은행 4.2.3 유방암 오가노이드 생체은행 4.2.4 기타 소규모 암 오가노이드 생체은행5. 약물 개발과 개인 맞춤형 암 치료 5.1 오가노이드를 이용한 면역치료법 6. 기초 연구를 위한 오가노이드 기술 6.1 오가노이드를 이용한 감염 요인들과 암 발생 사이의 연관성 연구 6.1.1 위암 발생과 Helicobacter pylori 6.1.2 담낭암과 Salmonella enterica 6.1.3 바이러스 감염과 암 발생7. 오가노이드를 이용한 암 형성에 기여하는 돌연변이 과정에 대한 연구 8. 오가노이드의 제한점들과 앞으로의 전망 1. 서론 지난 수십년에 걸쳐 어떻게 암이 형성되는지에 대한 우리의 지식은 방대하게 증가하였으며 특정 종류의 암 치료에 있어서 실질적인 진보가 이루어졌음에도 불구하고 암은 여전히 전세계적으로 중요한 건강상의 문제로 남아있다. 암에 의한 사망자 수는 예방차원에서의 검사와 조기검진 또한 좀더 특정한 표적을 가지는 치료법들에 의해 감소될 수 있다. 새로운 치료 방법의 개발에 있어서 중요한 장애물 가운데 하나는 실험실에서 발견된 과학적 지식을 임상으로 적용하는데 있어서의 어려움이며 이는 주로 많은 암 연구 모델들이 환자들의 암 세포 및 조직 환경을 제대로 재현하지 못하고 그 결과 암 연구 모델에서 좋은 효과를 나타내던 약물들이 임상 실험에서 궁극적으로 실패하게 되는 원인이 되고있다. 동물 모델들이 암의 기본적인 특성들에 대한 중요한 단서들을 제공해 왔음에도 불구하고 그들을 만들어내기까지 많은 시간이 소요되고 이들 모델들이 환자에서의 질병 생성 과정들을 정확하게 재현해 내지 못한다는 점이 부각되고 있다. 예를 들면, 사람의 암들이 보여주는 조직학적인 복잡성과 유전적 다양성들이 암 연구를 위해서 유전적으로 조작된 생쥐 모델에서는 제대로 구현되지 않는다는 것이다. 본 리뷰논문요약은 기초와 임상적용(translational) 암 연구에 있어서 성체 줄기세포 유래 오가노이드 기술의 이용에 대해 설명하고 있다. 또한 약물 개발과 환자 개인 맞춤형 의학을 위한 환자 유래 암 오가노이드 생체은행 구축을 위한 접근 방법들을 강조하고 실험적인 암 연구 모델로서의 오가노이드 기술의 적용을 평가하며 마지막으로 암 연구를 위한 오가노이드의 이용에 있어서의 제한점들과 가능성에 대해 서술하고 있다. ...................(계속) ☞ 자세한 내용은 내용바로가기 또는 첨부파일을 이용하시기 바랍니다.

출처: 생물학연구정보센터(BRIC) 오가노이드를 활용한 치료제 개발 동향 요약문 2D 세포주 배양법은 세포가 유래한 위치 본연의 성질과 조직 단위의 특성을 재현하기 힘들다. 동물실험 모델은 인체와 유전적, 생물학적 특성면에서 다르기 때문에 약물 시험 반응의 신뢰성에 한계가 있다. 대안으로 암 환자 유래 이종이식 모델(patient-derived xenograft)이 활용되지만, 대규모 약물 스크리닝에는 부적합하다. 최근, 기존의 문제점을 보완할 새로운 약물 스크리닝 플랫폼으로서 오가노이드가 주목받고 있다. 오가노이드 기술은, 환자 오가노이드 바이오 뱅킹, 다양한 질병 모델링, 유전체 교정 기술 융합을 통한 재생 치료, 환자 유전체 정보와 연계한 맞춤 치료 및 정밀 치료 등 다양한 잠재적 응용 가능성을 보여주고 있다. 본 보고서에서는 전임상 시험 모델로서 정상 조직 오가노이드 및 환자 유래 오가노이드의 임상적 가치에 대해 논의하고, 오가노이드 기반 플랫폼의 한계와 해결 과제들을 살펴보고자 한다. 목차 1. 서론2. 본론 2.1 오가노이드 정의 및 기술 개요 2.2 오가노이드 기반 플랫폼의 활용 2.3 유전체 정보 활용의 한계와 전임상 시험 모델로서의 암 오가노이드 2.4 환자 유래 오가노이드의 활용 2.5 오가노이드 기반 플랫폼의 한계 및 해결 과제3. 결론4. 참고문헌 ...................(계속) ☞ 자세한 내용은 내용바로가기 또는 첨부파일을 이용하시기 바랍니다.