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암 연구를 위한 오가노이드(Organoids) 모델
암 연구를 위한 오가노이드(Organoids) 모델 저자 김승일 (Lawrence J. Ellison Institute for Transformative Medicine at...)
등록일 2018.10.25
자료번호 BRIC VIEW 2018-R25
조회 1717  인쇄하기 주소복사 트위터 공유 페이스북 공유 
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.
키워드: Cancer, Organoids, Biobank, Drug screening
분야: Cancer Biology/Oncology, Biotechnology
본 자료는 Organoids in cancer research. Nat Rev Cancer, 2018 Jul;18(7):407-418.의 논문을 한글로 번역, 요약한 자료입니다.

목차

1. 서론
2. 기존 암 연구 모델
  2.1 암 세포주
  2.2 조건적 재구성법
  2.3 환자 유래 암세포 이식법
3. 오가노이드
4. 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 생체은행
5. 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 발생
7. 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.

2. 기존 암 연구 모델

2.1 암 세포주(Cancer Cell Lines)

암 세포주들은 일차 환자 표본들로부터 만들어졌으며 암 연구에 있어서 광범위하게 기여를 해주고 있지만 여러가지 단점들을 지니고 있다. 예를 들면, 일차 환자 샘플에서 세포주를 확립하는 것이 매우 비효율적이고 이차원 배양에 대한 상당한 적응과 선택 과정을 포함하게 된다. 단지 일부 단일 세포주들만이 많은 세대에 걸쳐서 증식되고 유지되는 관계로 암조직에서 유래된 세포주들은 상당한 유전적 변화들을 거칠 수 있으며 더이상 원래 암세포들의 유전적 이질성(heterogeneity)을 나타내지 않을 수 있다. 세포주들의 다른 제한적인 점들은 표준으로 이용할 수 있는 정상 조직에서 유래한 비교 세포주들과 조직 내 다른 기질 구성성분들(stromal compartments)이 결핍되어 있다는 것이다 (표 1).

2.2 조건적 재구성법(Conditional reprogramming)

최근 개발된 조건적인 재구성 방법(conditional reprogramming)은 정상과 암 상피 세포들로부터 높은 효율로 이차원 세포배양 주들을 설립하는 것을 가능하게 하고 있다. 이들 세포들은 오랜 기간 동안 배양될 수 있으며 안정적인 유전형을 유지한다. 이 과정은 배양 내 RHO kinase 저해제와 fi-broblast 보조 세포들(Feeder cells, 중요 성장 인자들을 분비함으로써 세포들의 성장을 돕는 다른 세포들의 층)을 첨가함으로써 이루어진다.

2.3 환자 유래 암세포 이식법(Patient-Derived Tumor Xenograft, PDTX)

일반적으로 이용되고 있는 인체 암 연구 모델로 암 세포주들과 일차 암환자에서 유래한 암세포 이식방법(patient-derived tumor xenograft, PDTX)이 존재한다. PDTXs 방법은 세포 기반 모델보다 인체 암 조직의 생물학적인 특성들을 더 잘 모방한다는 장점을 가지며 환자 세포나 조직을 면역결핍 생쥐에 피하(subcutaneous) 또는 정상 위치(orthotopic)에 이식함으로써 형성된다. 암 조직들을 많은 수의 동물들에 차례로 이식할 수 있는 능력은 암치료를 위한 새로운 치료제들의 전임상 테스트를 가능하게 한다 (표 1). PDTXs의 단점은 동물들을 이용해야 한다는 것과 환자 암조직의 일부만을 사용하는데서 비롯되는 제한적인 이식 효율성이다. 더욱이, 이 방법은 많은 비용과 시간 그리고 자원들이 소모되며, PDXTs는 이식동물(마우스) 특이적인 암 세포 및 조직의 변화를 동반할 수 있다.

표 1. 전임상 암 연구 모델들의 비교
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상대적인 특성들은 가장 좋음 (+++), 적합함 (++), 가능함 (+), 거의 적합하지 않음 (±) 또는 부적합함 (-)으로 평가되었다. NA, 해당사항 없음; PDTX, 환자 유래 암 이식법. a상피성 암에만 해당. b면역체계는 조혈모세포와 오가노이드를 함께 배양함으로써 확립될 수 있다.

3. 오가노이드(Organoids)

최근 개발된 삼차원 배양 기술들은 새롭고 더 생리학적으로 적합한 인체 정상 및 암 조직에 대한 모델 개발을 가능하게 하고 있다. 조직으로부터 유래된 성체 줄기세포들은 삼차원 기질 내에서 높은 효율로 오가노이드라고 불리는 자가 형성적인 기관 구조들로 자라날 수 있다. 2009년도에 Sato 그룹은 삼차원 상피세포 오가노이드가 leucine-rich repeat-containing G protein-coupled re-ceptor 5 (LGR5)를 발현하는 단일 소장 줄기 세포로부터 생성될 수 있다는 것을 보여주었다. Mat-rigel(오가노이드의 3차원 성장을 돕는데 필요한 기저막 구성요소) 안에 위치한 세포들은 무혈청 조건하에서 생체내 줄기세포 환경(R-spondin 1 (WNT 촉진제와 LGR5의 리간드), 상피세포 성장인자(epidermal growth factor, EGF), 뼈 형성 단백질(BMP) 저해제 noggin) 을 모방하는 환경에서 배양될 수 있다. 그 결과, LGR5+ 소장 줄기세포들은 세포분열성 움(Crypt)과 분화된 융모(Villus) 부분들을 지닌 고도로 체계화된 기관성 상피 구조들로 자라나게 된다. 이 배양 방법은 대장, 간, 췌장, 전립선, 위, 나팔관, 미뢰, 침샘, 식도, 폐, 자궁내막 과 유방을 포함한 여러가지 마우스와 인체 상피 조직들의 다른 오가노이드 배양 방법을 위한 출발점을 제공하였다. 오가노이드는 장기간 동안 증식될 수 있고, 냉동보존 될 수 있으며 유전적으로 변형될 수 있고, 유전적으로나 표현형적으로 안정성을 유지한다. 이는 암 연구에 있어서 오가노이드의 광범위한 적용을 가능하게 한다. 오가노이드를 환경 재현성 및 조직 특이적인 성장 인자들을 포함하는 배양액에 기르는 대신, Kuo 연구실은 중요 성장 인자들의 공급원으로 기질 보조 세포들을 사용, 공기-액체 계면을 이용한 오가노이드 배양 방법을 개발하였다. 오가노이드는 또한 유도 역분화 만능 줄기세포들(iPSCs)로부터 생성될 수도 있다. 그러나, 환자들로부터 iPSC를 기반으로 하는 암 연구 모델 생성의 효율성은 암 종류와 특정 암유발 돌연변이의 존재 유무, 특정 암 세포 군집들의 과성장에 의한 선택성 그리고 유래한 암 조직에서 나타나는 유전적 이질성의 상실에 의존한다. 일반적으로, 이러한 중간적인 iPSC 단계를 포함하기보다는 직접 암 조직에서 오가노이드를 생성하는 것이 좀더 효과적인 것으로 보여진다.

4. 임상적용 연구(translational research)를 위한 오가노이드 기술

4.1 암 조직 유래 오가노이드(Tumor tissue-derived Organoids)

오가노이드를 건강한 정상 성체 줄기세포들로부터 고효율로 배양할 수 있는 기술은 환자에서 유래한 암 조직으로부터 오가노이드를 길러낼 수 있는 방법을 확립하게 만들었다. 지금까지 여러 다른 연구 그룹들은 장기간에 걸친 오가노이드 배양이 일차적인 대장암, 식도암, 췌장암, 위암, 간암, 자궁내막암 그리고 유방암 조직뿐만 아니라 전이성 대장암, 전립선암 그리고 유방암 생체 조직검사 표본들로부터 이루어 질 수 있음을 보여주었다. 중요하게, 이들 연구들은 암 조직 유래 오가노이드들이 표현형적으로나 유전적으로 그들이 유래한 암 상피조직과 매우 유사하다는 것을 나타내고 있다. 암 오가노이드들은 정상 오가노이드 대조군들에 비해 더 빨리 성장하지 않고 많은 경우들에 있어서 높은 세포분열 실패와 세포 사멸 가능성으로 인하여 더 느린 속도로 성장하게 된다. 따라서 암 생체검사(생검, tumor biopsy) 표본들에 존재하는 정상 조직들로부터 유래한 건강한 상피 오가노이드들에 의해서 일어날 수 있는 암 오가노이드들의 과성장은 피해져야 할 필요가 있다. 따라서, 순수한 암 조직을 사용하여 암 오가노이드 배양을 시작하는 방법과 혹은 선택적인 배양 조건하에서 오가노이드들을 기르는 방법이 요구될 수 있다. 예를들면, 많은 대다수의 대장암들은 WNT 신호전달 과정의 활성 돌연변이들을 가지고 있다. 이러한 경우에, 순수한 암 오가노이드 배양은 정상 조직에서 유래한 대장 오가노이드들을 위해 필요한 성장 인자들인 WNT와 R-spondin이 결핍된 배양액을 사용함으로써 얻어질 수 있다. 유사하게 EGF 수용체 (EGFR) 신호전달 과정에 돌연변이를 지닌 암들은 EGF의 제거를 통해서 선택될 수 있다. P53이 그 역방향 조절인자인 E3 유비퀴틴 라이게이즈(ubiquitin ligase) MDM2와 결합하는 것을 막음으로써 p53을 안정화시키는 소분자 nutlin-3가 TP53 돌연변이 암 오가노이드 배양으로부터 TP53 정상인 건강한 세포들을 제거하는 방법으로 사용되었다. 이러한 선택 방법들이 이용 가능하지 않는 경우에는 순수한 암 세포들을 배양 시작 물질로 사용하는 것이 필요하다.

4.2 생체 오가노이드 은행(Organoids Biobank)

현재, 대량의 환자 유래 암과 그에 상응하는 정상 조직 오가노이드들의 수집물(collections)이 만들어 지고 있으며 생체 은행화가 이루어지고 있다. 이러한 자원들은 오가노이드들이 개별 환자들을 위한 약물 반응에 대한 예측 값을 가질 수 있는지를 결정하는데 이용될 수 있다 (그림 1).

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그림 1. 개인 맞춤형 암 치료와 약물 개발을 위한 오가노이드 배양 기술. 오가노이드는 환자에서 유래한 정상 및 암 조직 표본들로부터 성립될 수 있다. 오가노이드 배양은 유전적으로 특성화 될 수 있으며 약물 스크리닝 과정에 암의 유전적 배경과 약물 반응을 연관시킬 수 있도록 이용될 수 있다. 오가노이드는 또한 냉동 보존되어 생체 오가노이드 은행에 저장되어 질수 있다. 동일 환자의 정상 조직으로부터 오가노이드의 성립은 정상 세포들은 영향 받지 않고 암 세포들만을 선택적으로 죽이는 화합물을 스크리닝함으로써 독성이 적은 약물을 개발할 수 있는 가능성을 부여한다. 자가 갱신 간세포 오가노이드 배양은 잠재적 신약의 간 독성 (임상실험에서 약물 실패의 한가지 원인) 측정을 위해서 사용될 수 있다.

4.2.1 대장암 오가노이드 생체은행

대량의 오가노이드 수집물들을 저장하기 위한 초기 노력들 중 하나는 Inoue와 그 동료들에 의해 이루어졌다. 대장암 환자들로부터 유래한 배양 수집물은 시험관 내에서 암 조직을 암 구체들(spheroids)로 증식시키는 방법을 통해 만들어졌다. 하지만 이 배양 방법으로는 건강한 정상 대장 상피 세포의 성장은 가능하지 않았다. 더 최근에, 대장암 환자들로부터 유래한 암 오가노이드 생체은행이 만들어졌으며 20가지 유전적으로 다양한 암 오가노이드들과 그에 대응하는 정상 조직 유래 오가노이드들로 구성되어 있다. 유전체 정보와 단일치료 약물-반응 결과의 종합적인 분석은 WNT 저해물질인 E3 ubiquitin ligase RNF43의 돌연변이를 지닌 단 한 종류의 오가노이드만이 WNT 분비 저해제인 LGK974에 대해 민감하다는 것을 보여 주었다. 약물 반응과 돌연변이의 유무 사이의 여러 다른 알려진 연관성들 이외에도 몇가지 화합물들은 분명한 유전적 표적 없이 환자 유래 암 오가노이드들 사이에서 상이한 세포 독성을 가지는 것으로 발견되었다. 생체 은행화된 오가노이드 수를 늘리는 것이 약물 민감도에 있어서의 차이들을 유전적인 표적들과 연관시키기 위해서 필요할 것이다. 다른 연구에서는, 이 동일 생체은행으로부터의 일부 대장암 오가노이드들이 단백질체 분석 (proteomic analysis)과 상호비교 전사체 분석(comparative transcriptomic analysis)을 위해 사용되었다. 상당히 다른 단백질 특성들이 암 오가노이드와 그에 상응하는 정상 오가노이드 사이에서뿐만 아니라, 서로 다른 개인적 특성을 나타내는 각각의 환자 오가노이드들 사이에서도 관찰되었다. 이러한 발견은 개인 맞춤형 의학에 있어서의 단백질체 특성 분석의 중요한 역할을 보여준다. 그러나 암 오가노이드와 일차 암조직의 단백질체 특성들 간에 직접적인 비교 연구가 시험관내 배양에 따른 단백질 발현 특성의 변화을 확인하기 위해 이루어져야 한다.

이전 연구의 일환으로, Sato와 동료들은 55명의 대장암 환자들로부터 유래한 오가노이드 생체 은행을 만들었다. 특정 대장암 유형에 대해서, 일부 오가노이드는 특수한 조건 하에서만 성립될 수 있다. 예들 들면, 어떤 오가노이드들은 원래 인체 대장 오가노이드 배양액의 구성요소인 p38 MAPK의 억제제가 결핍된 배지나 또는 저산소 조건에서 유지될 수 있다. 이러한 의존성들은 암의 돌연변이 배경에 있어서의 차이점을 반영할 수 있다. 많은 경우에 있어서 암의 유전적인 배경은 환자유래 조직으로부터 오가노이드가 성립될 때 확인되어지지 않기 때문에 오가노이드 성립의 고효율성은 보통 성장인자들의 조합이 서로 다른 다양한 배양 배지에서 길러짐으로써 얻어질 수 있다. 중요하게, 암 오가노이드는 시험관 내에서뿐만 아니라 면역결핍 생쥐의 신장 캡슐 내 이식(kidney capsule xenotransplantation)에 있어서도 원래 암 조직의 조직병리학적인 특성들을 유지하고 있음이 보여졌다. 이러한 발견은 오가노이드 이식이 더 복잡한 생체내 환경에서 시험관내 약물 반응들을 검증하는데 이용될 수 있다는 것을 암시한다. 또다른 연구에서는 EGFR 저해제에 대한 민감성을 예측하기 위해 대장암 유래 PDXTs와 오가노이드로 구성된 생체은행이 사용되었다.

4.2.2 췌장암 오가노이드 생체은행

췌장암 오가노이드 주들의 수집물은 17명의 일차 췌장 관 선암(pancreatic ductal adenocarcinoma, PDAC) 환자들로부터 만들어졌다. 암의 기원을 확인하기 위한 돌연변이 분석이 이루어지지 않았음에도 불구하고 오가노이드들은 유래한 암조직에 대해 시험관적으로뿐만 아니라 연이은 이종이식에 있어서 원래 암 조직에 대해 유사한 조직학적인 특성들을 유지하였다. 오가노이드들은 약간 분화되거나 어느정도 분화된 PDACs 그리고 췌관 내 유두상 점액종양(intraductal papillary mucinous cystic neoplasm)으로부터는 형성될 수 없었으며 이는 서로 다른 대장암 종류들처럼 서로 다른 췌장암 종류들이 특정한 배양액 성분의 조합을 요구한다는 것을 보여주었다. 유사하게, Seino와 저자들은 39명의 PDAC 환자들로부터 유전적으로 특정화된 오가노이드 생체 은행을 만들었다. 세가지의 기능적인 PDAC 오가노이드들이 WNT 신호전달에 특정한 의존도를 가지는 것으로 관찰되었으며 이는 서로 다른 유전자 발현 유형과 연관되어 있다.

4.2.3 유방암 생체 오가노이드 은행

최근에 유방암 오가노이드 생체은행이 모든 주요 유방암 유형들을 나타내는 100명 이상의 환자들로부터 만들어졌다. 조직병리학적 그리고 유전적 특성들을 유지하는 것 이외에 대부분의 유방암 오가노이드들은 유방암 생체표지자들인 에스트로젠 수용체(estrogen receptor), 프로제스테론 수용체(progesterone receptor) 그리고 인체 EGFR2 (HER2; 또한 ERBB2로도 알려져 있음)의 발현들도 유지하고 있었다. 원래 암 조직의 수용체들 발현 상태가 단지 적은 수의 오가노이드들에서만 상실되었으며 이는 다음 단계의 실험 과정이나 약물 스크린 공정들을 위해 사용하기 전에 암 유래 오가노이드들을 적절하게 특성화(검증)할 필요가 있다는 것을 강조해 주고 있다. HER2 신호전달 과정을 표적으로 하는 다양한 약물들의 검증을 위한 측정 결과들은 약물들에 대한 민감도 수준이 일반적으로 HER2 발현 상태와 연관되어 있음을 설명해 주고 있다.

4.2.4 기타 소규모 암 오가노이드 은행들

이들 생체 은행외에, 진행성 전립선암 (7가지), 전이성 대장암 (8가지), 일차 췌장 상피내 종양 (8가지) 그리고 일차 간암 (7가지)으로부터 더 작은 규모의 암 오가노이드 수집물들이 만들어졌다. 눈에 띄게, 안드로젠 수용체 (Androgen receptor, AR) 증폭을 가지는 전립선암 오가노이드들은 AR- 전립선 암 오가노이드들 보다 AR 신호전달 과정 억제제인 enzalutamide에 대해 더 높은 민감성을 보여주었으며 이는 암 오가노이드 생체 은행이 생리학적으로 적합한 약물 스크린을 가능하게 한다는 것을 증명해 주고 있다.

현재, 미국 국립 암연구소(NCI), 영국 암 연구소, 영국 웰컴 트러스트 생거 연구소 그리고 네덜란드 Hubrecht 오가노이드 연구 재단에 의한 인체 암 모델 연구 프로그램(Human Cancer Models Initia-tive, HCMI)으로 알려진 종합적인 노력이 전세계적인 연구 커뮤니티를 위해 이용 가능한 오가노이드를 포함하는 방대하고 새로운 암 세포 배양 모델들의 생체은행을 만들기 위해서 진행중에 있다.

5. 약물 개발과 개인 맞춤형 암 치료

광범위한 이차원 암세포 주들을 이용한 약물 스크린이 약물 반응을 유전적으로 예측하는데 있어서 중요한 관점들을 제공해 주었음에도 불구하고, 그들의 자연적인 암 조직에 대한 상대적으로 낮은 재현성은 임상실험에 있어서 새롭게 개발된 약물들의 높은 실패율에 기여하고 있다. 환자유래 암 오가노이드들은 자연상태의 암을 더 잘 재현하고 새로운 항암 약물들을 발견하고 측정하기 위한 뛰어난 연구모델이 될 수 있다. 환자유래 오가노이드들을 이용한 고용량 약물 스크리닝 방법이 이제 막 연구되어지기 시작하고 있고 위에서 언급한 것과 같이 오가노이드 생체 은행을 이용하여 수행된 작은 용량의 약물 스크린은 지금까지 기대할만한 결과들을 보여주고 있다.

약물 개발을 위해 오가노이드를 이용하는 또다른 주요 장점은 정상과 암조직 모두로부터 오가노이드가 만들어질 수 있다는 것이며 이는 정상 세포들에는 영향을 미치지 않고 암세포들만을 특정적으로 목표하는 약물을 스크리닝 하는 것을 가능하게 한다. 이러한 방법은 환자에서의 약물독성을 감소시킬 수 있다. 간독성에 의해 초래되는 약물-유발 간 손상은 임상 실험에서 약물이 실패하는 주요한 한 원인이다. 최근 성립된 간 오가노이드들은 실험 화합물들의 간독성에 대한 전임상 측정을 위한 적절한 모델을 제공해 줄 수 있다 (그림 1). 약물-유발 간 독성의 가장 일반적인 과정은 사이토크롬 P450 효소들을 통해서 이루어지며 간 오가노이드들이 유도 분화시 이들 효소들을 거의 생리학적인 수준으로 발현한다는 점은 매우 흥미로운 사실이다.

5.1 오가노이드를 이용한 면역치료법

단일 약물 타겟 치료법에 대한 저항성의 출현은 새로운 항암 약물의 성공적인 개발에 있어 또다른 중요한 속도 결정 요인이다. 따라서 복합요법이 단일 화합물로 인한 저항성의 발생을 최소화하기 위해 고려되어 왔다. 매우 유망한 방법은 악성 종양 세포들을 없애기 위해 환자 자신의 면역체계를 이용하는 것이다. 임상에서의 초기 성공 이후 암 면역치료가 다시 부각되고 있다. 그러나, 적절한 면역반응을 유도하기 위해 암세포들이 충분한 면역원성을 보이는 것이 필수적이다. 면역반응들은 암세포들의 돌연변이들에서 비롯되는 새로운 항원들(신 항원)에 의존하며 이는-적어도 부분적으로- 돌연변이 정도에 의해 결정된다. 많은 경우에 있어서, 암세포의 신항원에 의해 나타나는 면역반응의 강도는 적절하지 않다. 시험관내 면역세포들의 활성과 증식법은 환자의 생체 내 이용을 위해 충분한 수의 세포독성 면역 세포들을 만들어내는 방법을 제공해 줄 수 있다.

실제로, 여러 최근 연구결과들은 조혈모세포들이 시험관 내에서 오가노이드와의 동시배양 (co-culture)을 통해서 증식되도록하는 배양방법들을 성공적으로 설립하였다. Nakamura와 동료들은 상피 림프구 세포들(소장, 대장, 폐, 상부 호흡기관, 생식기관 과 피부같은 포유류의 점막 내 상피 층에 존재하는 림프구들, intraepithelial lymphocytes, IELs)이 마우스 소장 오가노이드와 동시 배양되어지고 단기간 동안 유지될 수 있음을 보여주었다. 배양 배지에 인터루킨-2 (IL-2), IL-7 그리고 IL-15이 첨가되었을 때, ILEs은 그들의 기능을 유지하면서 몇 주에 걸쳐 유지되고 증식되었다. Finnberg와 저자들은 다른 조혈모세포 집단들이 급속하게 소멸하는데 반해, CD45+ 림프구들이 인체 공기-액체 계면 암 오가노이드들과의 공동 배양상태에서 8일까지 유지될 수 있음을 보여주었다. 더욱이, 특정 T 세포 종류, Vδ2+ T 림프구들과 오가노이드의 공동 배양체들이 일차 인체 유방 상피조직으로부터 직접 형성될 수 있었다. 흥미롭게도 유방조직 오가노이드들로부터의 이들 T 림프구들은 효과적으로 삼중-음성 유방암 세포들(triple negative breast cancer cells; estrogen receptor (ER), progesterone receptor (PR) 그리고 HER2를 발현하지 않는 유방암 세포들)을 죽일 수 있었다. 건강한 혈액 기증자로부터 유래한 순수 T 림프구들이 신항원들을 인식 및 목표로 하고 그러한 신항원들을 지닌 피부암 세포들을 죽일 수 있다는 것이 최근에 보고되었다. 이 발견은 건강한 기증자로부터 유래한 T 세포들을 이용하여 환자유래 오가노이드들에 대한 세포독성 능력을 측정하는 흥미로운 실험 가능성을 보여준다. 면역반응성을 나타내는 T 세포들은 오가노이드 공동배양에서 증식될 수 있고 순차적으로 환자들을 치료하기 위해 이용될 수 있다. 흉선 오가노이드의 최근 개발은 암-특이적인 T 림프구들을 효과적으로 유지하고 증식시키기위한 좀 더 생리학적인 시험관내 환경을 제공해 줄 수도 있다.

6. 기초 연구를 위한 오가노이드 기술

6.1 감염 요인들과 암 발생 사이의 연관성을 조사하기 위한 오가노이드

다섯명의 암 환자들 중 하나가 감염 요인들(infectious agents)과 관련된 것으로 추정된다. 그러나 많은 경우에 있어서 어떻게 특정 병원균들이 악성 종양 형성에 기여하는지는 알려져 있지 않다. 여러 연구들이 서로 다른 종류의 병원균들과 오가노이드의 공동배양 시스템을 설립하는데 성공해 왔기 때문에, 오가노이드 기술은 잠재적으로 이 과정들의 연구에 이용될 수 있다. 암 유발의 가능한 위험 요인으로 병원균들과 오가노이드의 공동배양이 암연구자들에게 있어서 특별하게 관심을 끌고있다.

6.1.1 위암 발생과 Helicobacter pylori

위 오가노이드가 만성 헬리코박터 파일로리(Helicobacter pylori) 감염과 위암사이에 관련성을 연구하기 위해 이용될 수 있다. 위 오가노이드들은 H. pylori가 미세 주입되었을 때 강한 일차적 염증반응들을 일으키며 어떻게 해서 H. pylori가 위 상피에 위치하게 되고 군락을 형성하는지를 설명하기 위해 사용되어 왔다. 더욱이, iPSC-유래 위 오가노이드들은 H. Pylori 감염에 대한 위 상피의 급성 반응을 모델화 하기 위해 사용되었다. 하지만, 만성 감염의 영향들과 위암 발생의 가능한 원인적 역할을 연구하기 위해서는 장기간에 걸친 공동배양 시스템이 개발되어야 하며 면역 요소들을 포함할 필요가 있다.

6.1.2 담낭암과 Salmonella enterica

Scanu와 저자들은 다른 유전자 조작 마우스들로부터 유래한 미리 전환된 담낭 오가노이드를 모델로 사용하여 담낭암 발생에 대한 살모넬라 엔테리카(Salmonella enterica) 감염의 기여도를 연구하였다. 저자들은 TP53 돌연변이와 MYC 증폭을 지니는 담낭 오가노이드에 있어서 S. enterica의 감염이 AKT와 MAPK 신호전달 활성을 통해 성장인자와는 독립적으로 세포 성장과 종양변이를 유도함을 설명해 주었다.

6.1.3 바이러스 감염과 암 발생

바이러스 감염 또한 오가노이드에서 모델링 되어 질수 있으며 이는 오가노이드-바이러스 공동 배양 모델이 암연구를 위해서 이용될 수 있다는 것을 암시하고 있다. 간 또는 간세포 오가노이드들은 잠재적으로 간염 바이러스 감염의 간세포암 발생에 대한 기여도를 연구하는데 사용될 수 있는 반면에 위 오가노이드들은 엡스틴-바(Epstein-Barr) 바이러스 감염과 위암 발생의 연관성을 연구하기 위해 이용될 수 있다.

7. 암 형성에 기여하는 돌연변이 과정을 연구하기 위한 오가노이드

암은 질병 유발 유전자들의 점진적인 돌연변이들의 축적에 의해 초래된다. 따라서 조직 항상성과 암 형성 과정 동안 활성화된 돌연변이 과정들에 대한 관점을 얻는 것이 중요하다. 오랜 기간에 걸친 정상 오가노이드 배양의 유전적 안정성은 돌연변이 과정의 자세한 연구를 가능하게 한다. Blokzijl과 저자들은 삶의 과정에 걸쳐 소장, 대장 그리고 간의 건강한 줄기세포에 있어서 유전체의 돌연변이 형태들을 결정짓기 위해 단일 줄기세포 유래(즉, 단일) 오가노이드 배양을 이용하였다. 저자들은 다양한 연령의 기증자들로부터 유래한 단일 오가노이드들에 대하여 전체 유전자 시퀀싱을 수행하였다. 놀랍게도, 돌연변이율은 소장과 대장의 줄기세포들간에는 서로 다르지 않았으나, 소장과 대장 줄기세포들에 있어서의 돌연변이의 종류와 돌연변이 특성 (서로 다른 돌연변이 과정들을 통해 나타나는 돌연변이 종류들의 독특한 조합)들은 간에 존재하는 줄기세포들의 것들과는 서로 달랐다.

저자들은 급속한 소장 및 대장 줄기세포의 순환 주기가 탈 아민화(deamination) 유도 돌연변이를 발생시키고 CpG 디뉴클레오타이드(dinucleotides)에서 흔한 C>G의 T>A로 전환을 지닌 특정 돌연변이 특성을 나타내게 된다는 것을 보여주었다. 주목할 만하게, 이러한 돌연변이는 일반적인 대장암 유발 유전자들에서 발견되고 간암의 경우에서는 동일 유전자들의 질병 유발 돌연변이들이 다른 경로를 통하여 일어난다. 종합해 볼 때, 이러한 발견들은 기관 특이적인 돌연변이적 과정들이 악성 종양화 과정 동안 특정 종류의 체세포 점 돌연변이들의 축적을 일으킨다는 것을 의미한다. 이전 연구에서, 단일적으로 증식된 위, 소장, 대장 그리고 전립선에서 유래한 마우스 오가노이드들의 유전체 염기 해독 결과들이 체세포 점 돌연변이들의 존재 유무를 기준으로 발달 과정을 재구성 하는데 이용되었다.

최근 Davies와 저자들은 BRCA1 또는 BRCA2 결핍이 암에 존재하는 돌연변이 특성을 기준으로 예측될 수 있다는 것을 보여줌으로서 암에서 돌연변이 특성들의 기원을 이해하는 것이 중요하다는 것을 설명해 주었다. 이 예측법을 이용하여, BRCA1 또는 BRCA2 유전자에 변이가 없는 BRCA1- 또는 BRCA2-결핍 암세포들이 확인될 수 있고 BRCA1 또는 BRCA2 돌연변이 암과 유사하게 다중(ADP-리보오스) 중합효소 (poly(ADP-ribose) polymerase (PARP)) 억제제로부터 이로움을 얻을 수 있었다. 암 세포들에서, 많은 서로 다른 돌연변이 과정들이 활성화되어 있고 이는 돌연변이 특성들의 기원을 연구하는 것을 매우 어렵게 만들지만 건강한 오가노이드의 유전적 안정성은 특정 돌연변이 과정들을 암 돌연변이 특성들과 원인적으로 연결시켜 줄 수 있는 체계를 제공해 준다. 최근 CRISPR-Cas9 유전자 교정법을 이용하여 건강한 인체 대장 오가노이드에서 DNA 복구 유전자들이 넉아웃(knockout) 되었다; 이들 단일 넉아웃 오가노이드의 전체 유전체 시퀀싱은 암에 있어서 높은 기여도를 가진 특정 30가지 돌연변이들이 암의 가족성 원인이 되는 DNA glycosylase I (NTHL1) 과 같은 염기 제거 복구 유전자의 생식세포 돌연변이들임을 보여준다. 비슷한 접근법을 이용하여, 예를 들어 돌연변이율과 정상의 건강한 그리고 암 세포들의 특성들에 대한 화학치료요법과 방사선의 효과를 측정하기 위해 오가노이드를 사용하는 것은 매우 흥미로울 수 있다. 이러한 실험들은 화학치료요법의 치명적인 부작용들과 이후 삶에서 나타날 수 있는 이차 암 발생의 증가된 위험에 대한 새로운 관점을 제공할 수 있다. 더욱이, 치료에 대한 저항성을 나타내는 산발적인 단일 클론들은 획득된 치료 저항성의 원인이 되는 돌연변이를 확인하기 위해 특정화되어질 수 있다. 대부분의 암은 불안정한 유전체를 지니고 있으며 따라서 암 내부의 각 암세포들은 다른 종류의 유전적 변이들을 포함하고 있다. 이러한 암 내부 이질성(intratumor het-erogeneity)은 암 진행과 치료 저항성에 중요한 역할을 하는 것으로 생각되고 있지만, 어떻게 암내부 이질성이 나타나고 질병 진행에 기여하는가에 대한 지식은 여전히 제한적이다. 암의 이질적인 유전 조성은 그로부터 유래한 오가노이드 내에 보존될 수 있고 오랜 시간에 걸친 배양에서 유지된다. 그러나, 암 오가노이드 배양 내 단일 역동성(clonal dynamics)이 나타날 수 있으며 암 유래 오가노이드 배양의 유전적 조성이 시간에 따라 변한다는 것을 보여준다. 동일 치료-순수 암의 서로 다른 위치에서 유래한 여러 환자유래 단일 오가노이드의 포괄적인 유전자 분석에 있어서, Roerink와 그 저자들은 최근 대장암의 암 내부 이질성을 자세하게 연구하기 위해 오가노이드 기술을 이용하였다. 이 방법은 동일 암의 서로 다른 위치의 유전적, 후성유전학적 그리고 전사체적 특징들의 깊이 있는 분석과 다른 암 하부클론들의 약물 저항성을 결정하는 것을 가능하게 하였다. 저자들은 암 발생동안 돌연변이율의 급격한 증가와 새로운 돌연변이 특성들의 획득을 관측하였다. 유사한 관찰이 정상조직과 Apcmin/+ 마우스 종양 에서 유래한 오가노이드에 대한 엑솜 시퀀싱(exsome sequencing)이 수행되었을 때 발견되었다. 따라서 정상세포의 종양세포로의 전환 과정 동안에 추가적인 암 유발 돌연변이들의 축적 가능성이 대체로 증가되고 질병 진행이 가속화되게 된다. 또한 Roerink와 저자들은 돌연변이 과정들의 기여도가 암의 서로 다른 부분에서 다양하다는 것을 밝혀냈다. 또다른 놀라운 관찰은 개별 암 클론들을 임상과정에서 널리 이용되는 다른 항암 약물들을 가지고 처리하였을 때 나타났다. 이 연구는 관찰된 모든 세 종류의 암에서, 각각의 측정된 약물들에 대한 저항성 세포들이 이미 약물 처리 이전에 존재한다는 것을 밝혀내었다.

8. 오가노이드의 제한점들과 앞으로의 전망

본 리뷰논문요약에서, 암 연구를 위한 오가노이드 기술의 적용 범위에 대해 설명하였다. 이들 중 많은 것들이 이제 막 연구되어지기 시작하고 있고 초기 발견들이 유망함에도 불구하고 오가노이드들은 또한 여러가지 제한점들을 지닌다. 예들 들면, 암세포주들과 비교해서 오가노이드는 많은 시간과 자원을 소모한다 (표 1). 오가노이드 배양의 근본적인 제한점 가운데 하나는 기질 (stroma), 혈관 그리고 면역세포들이 결여되어 있다는 것이다. 앞으로의 연구들은 추가적인 세포 (그리고 미생물) 요소들을 통합시키는 공동 배양 시스템을 개발할 수 있는 가능성을 열어줄 것이다. iPSC-유래 조직 공학(tissue engineering)을 이용한 최근 노력들을 통하여 기능성의 장 신경 시스템 (enteric nervous system)을 가지는 소장 오가노이드 배양이 개발되었다. 또한, Tuveson 실험실은 마우스 췌장 성상세포(암-관련 섬유아세포(Cancer-associated fibroblasts, CAFs)로 분화됨)와 PDAC 오가노이드의 공동 배양 시스템을 성공적으로 확립하였다. 이와 같은 선상에서, Sato와 그 동료들은 CAFs와 PDAC 오가노이드 공동배양을 이용하여 환자유래 CAFs이 PDAC를 위한 WNT ligands를 제공한다는 것을 밝혀내었다.

마우스 유래 세포외 기질(Extracellular matrix, ECM) 구성요소들(예로, 매트리젤 (Matrigel) 또는 기저막 추출물(Basement membrane extract))과 몇가지 오가노이드들에 있어서 혈청(WNT-조건 배지 생산에 요구됨)의 필요성은 약물 스크린과 같은 실험들의 결과에 영향을 미칠 수 있는 알려지지 않은 추가적 외부 요인들을 포함하고 있다. 예로, 혈청의 존재는 인체 췌장 오가노이드의 장기간 성장에는 적합하지 않은 것으로 보여졌다. 최근 들어 개발된 마우스와 인체 소장 오가노이드들의 성장을 돕는 합성 기질들은 마우스 유래 ECM 구성요인들을 대체할 수 있을 것이다. 그러나, 이들 기질들은 효율을 높이고 다른 기관들로부터 유래한 오가노이드의 성장을 유지하기 위해 또한 더욱 최적화 되어야만 할 것이다. Garcia와 동료들은 대체 WNT 활성인자들로 작용하는 수용성 Frizzled (FZD)-저밀도 지방단백질 수용체 관련 단백질 5 (low-density lipoprotein receptor-related protein 5, LRP5) 또는 LRP6 이종이합체들(heterodimerizers)을 개발하였다. 이들 대체 WNT 활성체들은 여러 인체 오가노이드 배양체들의 성장을 효과적으로 도와 WNT-조건 배지의 무혈청 대체물들이 될 수 있는 것으로 보여졌다. 유사하게, Mihara와 저자들은 수용성 WNT가 태아 송아지 혈청의 성분인 afamin과 공동발현 되었을 때에 생성될 수 있음을 보여주었다. 더욱이, WNT 단백질의 지질-매개 안정화(lipid-mediated stabilization)가 오가노이드들을 혈청이 존재하지 않는 상태에서 성장시킬 수 있는 또다른 방법을 제공해 줄 수도 있다.

또다른 가능한 제약은 진행된 암들로부터 유래한 오가노이드들이 정상 상피에서 유래된 오가노이드들보다 더 느리게 성장할 수 있으며 오염된 정상 상피유래 오가노이드들이 암 오가노이드들보다 빠르게 과도한 성장을 일으킬 수 있다는 점이다. 이러한 발견은 암세포 오가노이드들이 훨씬 더 높은 세포분열 실패율과 이에 따른 세포사멸을 나타내기 때문일 가능성이 매우 높다. 앞으로의 연구들은 이러한 예측하기 어려운 관찰에 대한 추가적인 관점을 제시해 줄 것이다. 끝으로 위에서 언급된 모든 오가노이드들은 상피세포 기원 암, 즉 선암 ((adeno)carcinomas)들로부터 배양되었다. 이러한 오가노이드를 이용한 방법이 비상피암들로부터의 오가노이드 배양 시스템을 위해 적용될 수 있는지는 현재까지는 불확실하다. 일차 뇌암 조직으로부터 오가노이드들 배양하는데 있어서의 최근 진전들은 다른 비상피성 암들의 성장을 위한 방법을 제공해 줄 수 있다.

이러한 제한점들에도 불구하고, 오가노이드들은 암을 연구하기 위한 생리적으로 적합한 시험관내 모델로 보여진다. 오가노이드들은 개인 환자유래 암 조직들로부터 고효율로 성립될 수 있고 임상적인 적용들과 개인 맟춤형 암치료의 개발을 위한 매우 적절한 모델이 될 수 있다. 환자유래 오가노이드들이 빠르게 생성되고 효율적으로 증식되는 것은 임상적으로 의미 있는 시간 범위에서의 약물 스크리닝을 가능하게 해준다. Cystic fibrosis (CF)의 진단을 위한 오가노이드의 사용에 관한 일회적인 검증이 존재하나 암 약물 반응들에 대한 오가노이드의 예측 값에 대한 더 구체적인 검증이 현재 진행되고 있는 시험들로부터 이루어져야만 할 것이다. 환자유래 위장 오가노이드들의 약물반응들을 임상에서의 환자의 반응들과 비교한 첫 연구 결과들은 매우 고무적이다. 약물 스크리닝의 체계의 민감도와 강건성에 대한 최적화는 오가노이드 기반 개인 맞춤형 의약이 임상에 적용되기 위한 중요한 열쇠가 될 것이다.

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김승일(2018). 암 연구를 위한 오가노이드(Organoids) 모델. BRIC View 2018-R25. Available from http://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=report&id=3091 (Oct 25, 2018)
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