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장기이식서 환자 맞춤 치료까지…3차원적 줄기세포 장기유사체
서여정 기자  |  gc5994@daum.net
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승인 2019.09.17  12:52:57
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최근 미국 국립보건원(NIH)의 국립안연구소(NEI)가 망막 질병을 치료하기 위해 망막 오가노이드 챌린지 프로젝트를 실시했다. 오가노이드는 미국의 전폭적인 지원을 받으며 성장하는 분야이며 우리나라에서도 활발한 연구가 진행 중이다. 이런 오가노이드가 무엇인지 어디에 어떻게 쓰이는지 알아보고 미래 우리의 삶에 어떤 영향을 미칠지 알아보자.

   
 

오가노이드
 오가노이드는 ‘장기’를 뜻하는 ‘Organ’과 ‘유사함’을 뜻하는 접미사 ‘-oid’가 합쳐져 탄생한 신조어로 인위적으로 만든 미니(mini) 장기를 말한다. 오가노이드는 배아줄기세포·성체줄기세포·유도만능줄기세포 등의 줄기세포들을 3차원적으로 배양하거나 재조합해 만든 장기유사체이다.
 오가노이드가 되기 위해선 3가지의 조건을 충족시켜야 한다. 먼저 다양한 기관의 특이적인 세포로 구성돼야 한다. 다음으로 배설여과·신경 활동·수축과 같은 기관의 특이적인 기능을 반복해 재현할 수 있어야 한다. 마지막으로 생체 내에 존재하는 기관처럼 서로 뭉쳐 그룹화가 되며 공간적으로 조직화가 돼야 한다.
 장기유사체는 일반적으로 줄기세포나 전구세포를 3D 배양해 유도한다. 이 과정에서 3D 배양 배지로 세포 외 기질인 마트로젤을 이용한다. 배지에 줄기세포를 삽입해 배양하면 오가노이드를 이루는 유기체를 만들 수 있다. 줄기세포, 전구세포 외에도 전분화능줄기세포가 장기유사체 형성을 위해 사용될 때 배아체를 형성하지만 항상 형성되는 것은 아니다. 이렇게 생성된 배아체는 장기 형성 중 패턴 형성에 관여해 실제 장기와 유사한 특성을 가질 수 있게 해준다. 또한 장기유사체는 해당 기관에서 추출한 성체줄기세포를 이용해 만들어지며 3D 마트로젤 배지에서 배양이 가능하다.

진단·치료에 다양한 적용
 오가노이드는 위·뇌·장관 등 다양한 장기로 구현할 수 있다. 뇌 유사장기는  신경줄기세포·성체줄기세포·배아줄기세포·유도만능줄기세포를 신호전달 물질이 함유된 배지와 생채 기질에서 배양한다. 자가조직화·자가 증식·조직 특이적 계통 분화를 통해 만들어지며 뇌 조직과 유사한 3차원 세포집합체다. 세포를 3D 배양법으로 다시 응집 재조합했기 때문에 뇌의 특이적 세포를 포함할 수 있으며 뇌가 지닌 특정 기능을 재현할 수 있다.
 장관 유사장기는 1차 조직과 줄기세포로부터 계통 발생 과정을 모방하는 분화기법과 3D 배양법을 통해 다양한 세포가 패턴을 갖게 돼 생체 내 장관의 일부 특성을 갖는다. 특히 자가 재생과 자가조직화가 가능해 장관을 구성하는 상피세포 4종과 장 줄기세포로 구조화해 인체와 근접한 생리활성을 지닌다.
 오가노이드는 유사 장기뿐만 아니라 약품·진단 등에 활용된다. 환자의 실제 유전체 정보는 환자 장기유사체의 유전체 정보와 매우 유사하다. 이 점을 활용해 환자 맞춤형 약물 스크리닝과 유전체 기반 정밀 의학 연구가 가능하다. 또한 장기 유사체는 무한 증식 배양이 가능해 바이오뱅크로 활용이 가능하다. 따라서 다양한 약물농도·용법·병용조합 시험을 반복적으로 시행해 환자에게 맞는 새로운 치료제 발굴이 가능해질 것이다. 이렇게 선별된 약물은 우선 치료에 실패한 환자에 맞는 표준 치료법이 없는 경우 치료 선택 결정의 근거가 될 수 있다.

가능성이 큰 만큼 벽도 높아
 오가노이드는 줄기세포를 이용하기 때문에 윤리적인 부분이 가장 크게 대두된다. 오가노이드 기술의 발전·임상적 가치의 상승으로 상업적으로 관심이 높아졌다. 높아진 만큼 인체 조직 기반 오가노이드 바이오 뱅킹에 대한 도덕적 법적 논의가 필요하다. 오가노이드 바이오 뱅킹이 성공적으로 운영돼 활용되기 위해서는 바이오 뱅킹 참여자의 권리가 침해되지 않아야 한다. 또 임상적·과학적·사회적 가치에 대한 제고가 필요하며 줄기세포를 치료제로 활용하기 위해 안전성에 대한 개념이 명확하게 규정돼야 한다.
 인체 유래 장기유사체는 기존 약물 평가와 선별의 패러다임을 바꿀 정도로 큰 가능성을 지니고 있다. 하지만 임상에 적용하기 위해서는 정확한 컴퓨터 수치가 필요하다. 장기유사체는 3차원 형상을 하고 있기 때문에 3차원적인 구조적 고찰이 필요하다. 이런 단점을 극복하기 위해 투명한 장기유사체를 형성하는 기술이 발전하고 있다. 그렇지만 가장 많이 사용하고 있는 공초점 현미경을 사용하는 경우 1개의 3차원 이미지를 획득하는 데 많은 시간이 걸려 장기유사체를 동시에 분석해야 하는 약물 스크리닝 평가 연구에 활용하기 어렵다.
 이외에도 많은 종류의 장기의 장기유사체를 형성하고 있지만 인간의 모든 장기에 대한 장기유사체는 아직 형성하지 못하고 있다. 또한 장기유사체는 주위 미세환경과 면역세포가 존재하지 않는다. 그렇기 때문에 약물 반응·감염·염증 반응 모델링에 한계가 있다. 이 점을 극복하기 위해서는 배양 조건의 최적화 과정을 통해 면역세포를 비롯한 다양한 기질세포와 공배양 기법으로 극복해야 할 것이다.

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