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오가노이드에서 고순도 줄기세포를 대량 배양하는 기술 개발

- 인간 전분화능 줄기세포 유래 장(腸) 오가노이드에서 장 줄기세포를 대량으로 배양하는 기술 개발…

□ 재생치료 등에서 수요가 높은 고순도의 줄기세포를 대량으로 만들 수 있는 기술이 국내 연구진에 의해 개발되었다.

□ 한국생명공학연구원(원장 김장성, 이하 생명연)은 줄기세포융합연구센터 손미영 박사팀이 세계최초로 인간 장(腸) 오가노이드에서 장 줄기세포를 농축 배양할 수 있는 기술을 개발하는 데 성공했다고 밝혔다.

ㅇ 이는 인간 장 줄기세포를 대량 배양 및 동결 보관할 수 있는 기술로 향후 재생치료제 개발 및 다른 신약 개발 기초연구에 널리 활용될 수 있을 것으로 기대되고 있다.

□ 오가노이드는 줄기세포나 조직공학 기술을 활용해 제작한 인체 장기유사체로 매우 높은 수준으로 인체 장기를 모사할 수 있어 동물 대체실험이나 신약 개발, 재생치료 등에서 활발히 활용되고 있다.

□ 줄기세포는 신체를 구성하는 세포로 분화하는 능력이 있어 재생, 인공장기 형성, 세포 치료 등에서 이용이 기대되고 있다.

ㅇ 하지만 생체 내에서 한정된 양으로만 존재할 뿐만 아니라 배양이 어려워 채취하면 안정적인 보관이 필수적이지만, 장기간 보관을 위한 환경 유지가 쉽지 않아 안전하고 효율적으로 줄기세포를 얻을 수 있는 기술 개발에 대한 수요가 높다.

□ 이에 연구팀은 인간 전분화능 줄기세포를 이용해 만든 3차원 장 오가노이드에서 고순도의 인간 장 줄기세포 집합체를 대량 배양할 수 있는 기술을 개발하였다.

ㅇ 단일 세포 전사체 분석을 통해 장 줄기세포 집합체들이 고농축 되어 있음을 확인하고 이를 분리‧배양하는데 성공하며, 화학적 조성이 명확한 배지 환경에서 인간 장 줄기세포를 배양할 수 있게 된 것이다.

ㅇ 특히, 연구팀은 생산된 장 줄기세포 집합체가 마우스 동물모델의 손상된 장 상피 세포 조직을 재생시키는 것을 확인하며 치료제로서의 이용 가능성을 높였으며, 동시에 향후 재생치료제로 개발 가능한 임상 등급의 인간 장 줄기세포를 대량 생산할 수 있는 기반 기술을 확보하였다.

□ 나아가 연구팀은 세포를 공기 중에 노출해 분화를 유도하는 기체-액체 계면(Air-Liquid Interface) 분화법을 이용해 2차원 장 줄기세포를 입체적 구조를 가진 장 상피 세포로 분화하는 기술도 개발하였다.

ㅇ 장 오가노이드는 내부가 비어있는 내강(內腔, lumen)을 중심으로 상피 세포와 세포 외 기질이 둘러싸고 있는 둥근 공 형태인데, 장 상피 세포가 내부의 내강에 접근하기가 어려워 다양한 응용 연구에 활용하기 어렵다는 한계가 있었다.

ㅇ 연구팀이 개발한 스테레오 타입의 2.5차원 장 상피 세포 모델 시스템은 실제 인간의 소장을 모사할 수 있으며, 내강 접근도 용이해 다양한 질환 모델 제작과 신약 개발을 위한 플랫폼 기술로 활용할 수 있다.

□ 이번 연구를 주도한 손미영 박사는 “재생치료제의 핵심 성분인 인간 장 줄기세포는 분리 배양이 어려워 동물 실험 의존도가 높았는데 전 세계에서 유일하게 대량, 장기배양이 가능한 인간 정상 장 줄기세포 모델을 이용해 다양한 기초 연구가 활성화되길 기대한다.”라며,

ㅇ “이번 성과를 본 연구팀이 이미 확보한 다양한 장 오가노이드 배양기술과 접목하여 기초연구 수준을 넘어 기술의 실용화를 위해 더욱 활발한 연구 활동을 이어 나가겠다.”라고 의지를 밝혔다.

□ 한편 이번 연구는 1월 27일 종합과학 분야의 세계적인 과학저널인 Nature Communications(IF 17.694) 온라인 판에 게재되었으며,

(논문명 : Chemically-defined and scalable culture system for intestinal stem cells derived from human intestinal organoids / 교신저자 : 손미영 박사 / 제1저자 : 권오만 박사)

ㅇ 과기정통부 Korea Bio Grand Challenge 사업, 산업부 바이오산업핵심기술개발사업, 범부처 재생의료기술개발사업, 식약처 첨단독성 평가기술 기반구축사업, 그리고 생명연 주요사업의 지원으로 수행되었다.

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그림1. 3차원 장 오가노이드 유래 2차원 장 줄기세포 농축 배양 기술 모식도

그림2. 3차원 장 오가노이드 유래 2차원 장 줄기세포 집합체 배양 기술 개발

(A-E) 2차원 장 줄기세포 집합체 배양 기술 및 화학적 조성이 명확한 배양 배지 개발을 통해 장 줄기세포를 안정적으로 장기배양 및 동결보관이 가능한 것을 확인함

그림3. 장 줄기세포 집합체의 단일 세포 전사체 분석 결과

(A-E) 단일세포 전사체 분석을 통해 장 줄기세포 집합체가 고순도의 장 줄기세포와 전구체 세포로 구성된 것을 확인하였고, 면역형광염색법을 이용해 이를 검증함

그림 4. 기체-액체 계면 분화법을 이용한 입체적 구조를 가진 2.5차원의 장 상피세포 분화 기술 모식도

그림 5. 2차원 장 상피 세포 분화 기술 개발 및 특성 분석

(A-F) 스테레오 타입의 2.5차원 장 상피세포 분화 시 날짜에 따른 세포 형태 분석 및 TEER 값 측정, H&E 및 면역형광염색을 통한 단면 분석,

전사체를 기반 PCA 분석과 증가 또는 감소하는 유전자 클러스터 분석 결과를 통한 장 상피세포의 특성을 확인함

그림 6. 장 줄기세포 집합체의 재생치료제 효능 검증

(A-E) 마우스 질환 모델 기반 장 손상 후 장 줄기세포 집합체 이식에 따른 마우스 몸무게 변화 양상 분석, 장 상피 재생 효과 내시경 분석,

형광 및 인간 특이적 발현 단백질 면역형광염색을 이용한 장 줄기세포 생착 확인을 통해 장 줄기세포 집합체의 재생치료제 효능을 검증하였음

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