바이오인

고순도 장 줄기세포 대량 배양 기술 개발

◈본문

오가노이드는 실험실에서 배양할 수 있는 초소형의 ‘장기유사체’ 또는 ‘미니장기’로 자가조직화(self-organization) 과정을 통해 실제 장기를 높은 수준으로 모사할 수 있는 3차원 세포 집합체이다. 특히, 장의 상피조직을 모사하는 장 오가노이드는 2009년 최초로 개발된 이래 기초과학, 재생의학 뿐만 아니라 산업에 이르기까지 다양한 분야에서 폭넓게 사용되고 있으며, 장 오가노이드 수요가 지속적으로 증가할 것으로 예측되어 향후 관련 시장의 성장세도 높을 것으로 전망된다.

하지만, 장 오가노이드가 단지 잠재성이 높은 세포 모델에 머무르지 않고 재생 의학과 산업분야에서 실제 의약품으로 활용이 가능한 첨단바이오 기술로 개발되기 위해서는 아직 극복해야 할 한계점들이 여전히 남아있다. 우선 기존의 장 오가노이드는 대량 배양이 어렵고, 오가노이드의 모양과 기능이 균질하게 유지되지 않아 품질을 관리하기 어렵다. 실제 재생치료제로 사용하거나 산업적으로 생산하여 공급하기 위해서는 균일한 품질의 장 오가노이드를 대량생산할 수 있어야 하지만 현재 기술 수준에서는 거의 불가능에 가까운 상황이다. 특히 장 오가노이드의 3차원 배양을 위해서는 지지체 역할을 하는 세포외기질(Extracellular Matrix)이 필요하며, 대표적으로 마트리젤(Matrigel)이 가장 많이 사용되고 있다. 하지만, 마트리젤은 마우스의 육종암(sarcoma)에서 생산되는 고가의 물질로 조성 및 작용 기전이 불명확하며, 인간과 마우스의 종 차이로 인한 이종 감염의 위험이 있어 안정성을 확보하지 못하였으므로 의학적으로 사용하기에는 한계가 있다. 뿐만 아니라 장 오가노이드를 배양하기 위해 사용하는 배지 또한 생산 단가가 높아서 장 오가노이드 대량 배양 및 상용화를 가로막는 장애요인으로 작용하고 있다. 따라서, 장 오가노이드의 대량 배양 및 균질화를 위해서는 마트리젤을 비롯한 고가의 3차원 세포외기질 지지체를 사용하지 않거나 세포외기질의 도움없이 장 오가노이드를 배양할 수 있는 기술 개발이 필요하며, 생산단가가 저렴한 배지의 개발이 반드시 수반되어야 한다.  

본 연구팀은 최근 균질한 장 오가노이드를 대량 배양할 수 있는 기술을 개발하여 상용화를 위한 첫 걸음을 내딛었다. 기존에 3차원 배양하던 장 오가노이드를 분해하여 2차원 배양할 수 있는 기술을 개발하였고 2차원 배양된 세포들이 장 오가노이드의 핵심 성분인 장 줄기세포 집합체라는 것을 발견하였다. 3차원 세포외기질 지지체 없이 빠른 속도로 자가증식이 가능한 고순도의 장 줄기세포 집합체를 2차원 배양할 수 있게 됨으로써 마트리젤과 같은 세포외기질의 지지를 받지 않고 세포를 배양할 수 있게 되었으며, 쉽고 빠르게 줄기세포 집합체를 증식시킬 수 있게 됨으로써 대량 배양 기술 개발이 가능하게 하였다. 또한, 세포 배양에 사용되는 배지의 조성과 작용 기전을 모두 밝혀 의학적으로 사용이 가능한 배지를 제작할 수 있게 되었으며, 향후 고가의 배지 조성물을 대체할 수 있는 기술을 추가 개발함으로써 배지 생산 단가를 낮출 수 있는 가능성을 제시하였다.

새롭게 개발한 2차원에서 배양한 장 줄기세포 집합체의 재생치료제로서 활용 가능성을 검증하기 위해 장 상피가 손상된 질환 마우스를 제작하고, 질환 마우스의 손상된 장 상피에 장 줄기세포 집합체를 내시경을 이용해 이식하였다. 이식 후 장 줄기세포 집합체가 손상 부위에 생착하여 손상 부위가 빠르게 재생되며 회복되는 것을 확인하였다. 또한, 마우스의 체중 증가와 생존율이 장 줄기세포 집합체를 이식하지 않은 마우스에 비해 높게 나온 결과를 통해 장 줄기세포 집합체의 재생치료제로서 잠재성을 확인할 수 있었다. 현재는 더 나아가 장 줄기세포 집합체를 실제 의학적으로 사용 가능한 재생치료제로 개발하기 위해 힘쓰고 있다. 균질한 장 줄기세포 집합체를 대량 배양 할 수 있으며, 철저한 품질관리가 가능한 기술을 개발하는 동시에 안정성이 높고, 저렴한 배양 배지 생산 기술을 개발하고 있으며, 고분자 기반 표면 개질 기술을 이용한 배양 접시를 개발하여 실제 임상 적용이 가능한 장 재생치료제의 상용화를 위한 종합 패키지 기술 개발을 수행하고 있는 중이다.

2차원 배양된 장 줄기세포 집합체를 재생치료제로 활용하는 것뿐만 아니라 장의 기능성 연구를 위한 모델로 활용하기 위해 세포 분화 기술도 함께 개발하였다. 2차원 배양된 장 줄기세포 집합체는 장 줄기세포와 전구체 세포로만 구성되어 있고 기능성이 있는 분화 세포(흡수 세포, 분비 세포, 내분비 세포 등)은 거의 포함되어 있지 않다. 따라서, 장의 다양한 기능을 연구하기 위한 연구모델로 활용하기에는 제한이 존재하며, 장 줄기세포 집합체로부터 분화 세포를 생산할 수 있는 기술 개발이 필요하였다. 이를 위해 세포의 상단부를 공기에 노출시켜 분화를 유도할 수 있는 기체-액체 계면배양법(Air-Liquid Interface)을 이용하여 장 줄기세포 집합체로부터 분화세포들을 생산해 주었고, 동시에 구조적으로도 실제 장과 유사한 굴곡이 있는 융모구조가 형성되는 것을 확인하였으며, 유전체 분석을 통해 분자 수준에서도 장 상피의 기능이 분화에 따라 지속적으로 높아지는 것을 확인하였다. 또한, 기체-액체 계면배양법을 이용해 새롭게 개발한 장 상피 세포 모델의 활용성을 검증하기 위해 질환모델링을 시도하였다. 연구 개발이 진행 중이던 당시 코로나 바이러스(SARS-CoV-2)의 감염증인 코로나바이러스감염증-19가 전세계적으로 유행중이었고, 장 상피를 통해 바이러스의 감염과 전파가 가능하다는 것이 선행연구들에 의해 보고되고 있었다. 유전자 발현 분석을 통해 코로나 바이러스의 수용체로 알려진 안지오텐신전환효소 2 (Angiotensin converting enzyme 2; ACE2)가 장 상피 세포 모델에서 발현되고 있는 것이 확인되었으므로, 장 상피를 통한 코로나 바이러스의 감염 가능성과 이를 차단할 수 있는 치료제 발굴을 목적으로 질환 모델링을 수행하였다. 결과적으로, 코로나 바이러스를 분화된 장 상피 세포에 감염시켜주었을 때 발현하고 있는 수용체(ACE II)의 양에 비례하여 바이러스가 감염되는 것을 확인할 수 있었던 반면 바이러스와 수용체 간의 결합을 저해할 수 있는 약물을 처리해 주었을 때 장 상피 세포에 감염되는 바이러스의 양이 감소하는 것을 관찰함으로써 새로운 치료제 개발을 위한 연구 모델로 활용이 가능한 것을 확인할 수 있었다.

상기 연구 성과들을 통해 의학적 사용이 가능한 재생치료제 개발을 위한 도전의 첫 걸음을 내딛을 수 있었다. 여전히 앞으로 가야할 길이 멀고 험난하겠지만 함께 연구를 수행하는 동료연구자들의 도움을 받아 국가 첨단 바이오 산업의 발전에 일조할 수 있는 상용화 기술을 개발해 보고자 하며, 본 연구성과들을 통해 다양한 질환 모델 개발과 신규 치료제 발굴 등 다양한 기초 연구 분야가 활성화 되길 기대한다.

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