적절한 조건에서 줄기세포를 시험관에서 배양하면 장기나 조직의 유사체인 오가노이드(Organoid) 라는 미니 장기유사체를 만들 수 있다. 배양된 오가노이드는 수백 마이크로미터(㎛, 1/100만 m)에서 1mm까지 다양한 크기로 축소된 해당 장기의 구조와 기능을 가진다. 오가노이드 인공장기를 만드는 줄기세포 종류로는 성체줄기세포, 배아줄기세포, 유도 만능줄기세포를 사용하고, 스스로 재생 및 조직화하여 형성된 세포 집합체를 통해 오가노이드를 만들 수 있다. 

일반적으로 줄기세포 배양은 2차원의 배양접시에서 배양하는데, 3차원의 세포 구조체를 하이드로 젤 안에서 공간배양을 하게 되면, 세포가 응집되면서 재조합이 일어나서 모델장기의 특이한 세포가 포함된 오가노이드를 만들 수 있다. 오가노이드는 해당 인체 기관이나 장기의 생리기능을 유사하게 재현할 수 있을 뿐만 아니라 유전자 편집기술(CRISPR/Cas9)을 이용하여 잘못된 유전자를 교정하거나 우수한 유전자로 교환할 수 있어서 유전자 치료나 장기이식 치료의 대안으로 떠오르고 있다. 특히, 환자 조직으로부터 장기유사체인 오가노이드를 만들어 사용하면 환자 고유의 유전정보를 기반으로 한 질병 모형화가 가능하고, 반복 시험을 통한 효율적이고 환자에 적절한 약물 탐색도 할 수 있는 큰 장점이 있다. 

인간이 가장 알고 싶어 하는 뇌세포 조직을 모방한 미니 뇌를 개발하는 데 성공(2019)하면서 뇌 오가노이드에 대한 관심도가 급상승하였다. 아직 인체의 모든 기관의 오가노이드는 만들지 못했지만, 더 많은 연구투자가 이어지면 오가노이드 기술은 미래 치료 및 예방의학을 발전시키는데 선구적인 역할을 할 것으로 기대한다.

<오가노이드 특성 및 연구>

 오가노이드는 생체기관 특이적인 세포로 기관이 가지는 특이적인 세포 유형을 가지지만 아직은 완벽하게 같지는 않다는 한계점이 있다. 하지만, 배설(장), 여과(신장), 신경전달, 수축 등의 아직은 단순한지만 장기의 특정 기능을 반복해서 재현시킬 수 있다. 오가노이드를 형성하는 세포들은 생체에 존재하는 기관처럼 독립적으로 뭉치고 그룹화되어 조직화 되는 특성이 있다. 

아직은 미성숙한 오가노이드의 한계점을 극복하기 위해서 성숙화시키는 방향으로 여러 가지 방법을 사용하고 있다. 예를 들어 오가노이드의 성숙도를 높이기 위해서 면역세포를 공 배양하는 방법을 사용하기도 하고 어느 정도 기관으로 분화된 성체줄기세포를 사용하기도 한다. 

오가노이드 제조의 시작은 발생학자들이 바다에 사는 하등동물인 해면(Sponge)의 단일 세포를 잘게 부수고 방치하면 스스로 다시 뭉친다는 현상에서 시작되었다. 배지에서 세포를 정제한 후, 배양하여도 세포가 뭉친다는 결과에서 확정을 지을 수 있었고, 줄기세포는 특히 분화 능력이 있어 다양한 유기체를 생성한다는 것을 알았다. 하지만, 2차원(2D) 평판에서 만들어 키워진 조직은 정상조직과 차이가 있었기 때문에 3차원(3D) 배양으로 복잡한 장기구조에 접근한 유사 장기를 만들려고 노력하였다. 

2007년 내장 성체줄기세포의 형성과 유지하는 LGR5란 유전자를 발견하였고, LGR5 줄기세포를 이용하여 소장, 대장, 간, 쓸개, 췌장 등의 성체 줄기세포로부터 유사 장기체를 배양하기 시작하였다. 최초로 2009년 LGR5 줄기세포로 융모 구조를 체외에서 만드는 데 성공하였고 실제 소장 상피세포의 구조를 거의 그대로 재현하였다. 

오가노이드란 용어는 2009년 네덜란드  한스 클레버스 (Hans Clevers) 박사가 생쥐의 직장에서 얻은 줄기세포로 미니 내장을 만들어 오가노이드란 이름을 붙인 데서 시작한다. 2013년 영국 케임브리지대 매들린 랭커스터(Madeline Lancaster) 박사는 신경줄기세포로 인간의 뇌 오가노이드를 만들어냈다. 이후 미국과 일본 등지에서 오가노이드 연구가 활발해져 심장, 위, 간, 신장, 췌장, 갑상선, 폐, 흉선, 정소, 소장 상피, 신장 의 11개 주요 신체 장기를 포함해 다양한 오가노이드가 만들어지고 있다.  

 소장 상피세포에 장내 미생물을 접종하여 실제 장내 생태계까지 구현하였고 소장의 외형 뿐만 아니라 장내 상피세포 표면에 있는 점막 물질인 뮤신(Mucin)을 분비하는 소장 뮤신 분비 오가노이드까지 개발하였다. 뮤신 분비 인간 소장 오가노이드로 수없이 많은 장내미생물 균총인 마이크로바이옴(Microbiome) 중 염증 회복에 효과가 큰 유산균을 개발(2022, 한국생명공학연구원)하였다. 

쥐의 태아 유래 줄기세포로 신장 유기체를 유도(2010)하여 체외에서 생리적 기능을 조사(2015, Science Report)한 결과도 보고되고 있다. 인간의 뇌세포 조직을 모방한 줄기세포 유래 대뇌를 배양하는 실험방법을 만들어 발표(2013)하였고, 뇌세포 조직을 모방한 미니 뇌를 개발하는 데 성공(2019)하였다. 

개발된 오가노이드의 사진은 <그림 1>과 같고 뇌 오가노이드를 이용해서 스위스 바젤의 ETH에서는 뇌 오가노이드 내의 수천 개의 개별 세포를 연구하여 각 세포의 지문을 나타내는 분자 Map을 작성하였다. 뇌오가노이드로 뇌세포의 기능과 세포 간의 상호관계를 조사하여 뇌에서 일어나는 현상(Nature,2022)을 예측하기 시작했다. 영국의 옥스퍼드와 버밍엄 대학 연구팀은 다양한 형태의 세포로 분화할 수 있는 인체에 중요한 기관인 인간 골수(Bone marrow)를 성공적으로 오가노이드로 만들었다(2022). 사실 골수는 실험실에서 세포로 키우기조차 어려운데 오가노이드로 만들었고, 인간 골수의 다양한 기능을 갖는 핵심 요소를 갖추고 있어서 실제로 혈액세포를 생산할 수 있을 뿐만 아니라 다양한 질병 모델을 연구할 수 있게 되었다. 

<오가노이드 형성 >

 오가노이드은 배아줄기세포(Embryonic stem cell, ESC), 성체줄기세포(Adult stem cell, ASC), 유도만능줄기세포(induced pluripotent stem cell, iPSC)로부터 만들어져서 자기재생 및 자가 조직화를 한 3차원 세포 집합체로 일상 명으로 “미니 장기”,또는 “유사장기”라고 호칭한다. 세포 응집체를 다시 3차원 세포배양(3-Dimensional cell culture)를 하거나, 또는 다시 응집 재조합해서 만들어서 모델장기의 특이적 세포를 포함한 장기유사체를 만들 수 있다. 

3차원 배양법은 기존의 2차원 배양 세포주의 한계를 극복하면서 기개발 된 2D 배양기반 생화학적, 세포생물학적 분석기법을 효율적으로 활용할 수 있다. 인체의 생리활성기능을 유사한 오가노이드 재현이 가능하고, 환자 조직 유래 오가노이드로 환자 유전체 기반의 질병 모형화도 가능하다. 특히, 환자의 오가노이드 배양한 후, 반복 시험을 통한 환자 맞춤형 약물 스크린이 가능할 그럴 뿐만 아니라 유전자 편집기술의 접근성을 높여서 유전자 치료와 손상된 장기에도 이식 가능한 활용성이 주목받고 있다. 

결국 3차원 세포 구조체를 완성시키기 위해 하이드로젤 내에서 오가노이드를 배양하고 있다. 이때 사용하는 배지는세포 접착 및 신경돌기 신전을 촉진하는 당단백질인 Laminin이 풍부하게 들어 있는 3D Matrigel(상품명) 배지를 사용하여 3차원 배양하여 오가노이드를 형성한다. 오가노이드를 형성하는 방법은 전분화능 줄기세포를 초기에 사용하여 배아체가 형성시키면 장기형성 패턴인 자가 작용으로 실제 장기와 비슷한 특성을 가진다. 

또한 목표로 하는 장기에서 추출한 성체 줄기세포를 사용하여 3D Matrigel 배지에서도 오가노이드를 형성할 수 있다. 대중화된 인간의 개인유전체를 중심으로 전사체, 단백체, 대사체, 후성 유전체 등의 환자의 디지털 정보의 활용이 쉬워지면서 개인 맞춤용 오가노이드의 활용도가 높아지고 있다. 이런 3차원 오가노이드 형성기술은 2010년부터 급격히 발전하여 2013년에는 저명학술지인 “Science”에서 가장 진보된 과학성과로 인정받았지만, 여전히 임상적 적용을 하기 위해서는 여러 단계의 검증 절차와 해결하지 못한 한계점을 극복하기 위해서 지금도 많은 연구가 진행되고 있다. 

<맺 는 말 >

 실제적인 오가노이드 연구 역사는 2007년 LGR5란 성체줄기세포의 형성과 유지 시키는 유전자가 발견되면서 급격히 발전하였고 2013년 인간의 뇌세포 조직을 모방한 줄기세포 대뇌를 배양하는 프로토콜이 수립되었고, 2022년 뇌 오가노이드 내의 수천 개의 세포를 연구하여 세포 지문을 표지하는 분자지도를 작성되었다. 뇌 오가노이드의 분자지도로 뇌세포의 기능과 세포 간 상호관계를 조사하여 뇌세포 작용을 예측할 수 있게 되었다. 

영국연구팀은 실험실에서는 키우기조차 어려운 골수(Bone marrow)를 오가노이드로 만드는 데도 성공하였다. 줄기세포 관련 오가노이드 연구는 하루가 다르게 급진하고 있지만, 실용적인 임상에 사용하기까지는 아직 밝혀야 할 기초연구 결과가 필요하다. 오가노이드를 연구가 아닌 인체가 직접 사용하기에는 아직도 많은 한계점을 극복하여야 하는 초보적인 단계이다. 실제로 인체에 사용할 수 있는 오가노이드 제작기술을 갖춘 곳도 세계적으로 손꼽힐 정도이고, 사용 부위도 장 오가노이드를 사람의 치료에 사용하겠다는 계획을 밝힌 정도이다. 

전세계에서 진행되고 있는 대다수의 임상은 치료제 개발이 아니고 오가노이드 자체가 유효한지를 밝히는 동물시험인 비임상 수준이다. 오가노이드를 이야기하면 금방 인체에 활용될 것으로 알고, 많은 기대를 하는 사람에게 아직은 시간이 필요하다고 생각한다. 하지만, 더 많은 연구 노력으로 하루라도 빨리 실용화된 임상시험 결과를 기대하면서 줄기세포 오가노이드 연구에 큰 기대를 건다.

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