1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드

오가노이드는 만능 줄기세포(PSC)로부터 발생 및 분화를 통하여 형성된 3차원 세포 구조체로서, 해당 장기의 구조적, 기능적 특성을 재현하는 소형 장기 모사체라고 불려집니다. 오가노이드는 생체 조직의 환경을 모사할 수 있으며, 동물실험을 대체할 수 있는 모델로 사용될 수 있고, 신약 개발, 질병 모델링, 재생 치료 등 다양한 응용 연구 분야에 활용될 수 있습니다.

이번 발표된 논문은, 성숙 심실 타입 심장 오가노이드 제작에 관한 것이며, 크게 두 가지 의의가 있습니다. 첫 번째로는 기존에 오가노이드 제작을 위해 이용하였던 배아체 (Embryonic body)를 형성하여 3D에서 분화를 유도하거나 완전히 분화된 심근세포를 이용하여 오가노이드를 제작하는 접근 방법이 아닌 2D에서 심장 중배엽 세포 (Cardiac mesoderm cell; CMC)로 분화를 유도한 뒤, 생체 심장 발생시와 유사한 자기조립 (self-organization) 과정이 일어날 수 있도록 미세 환경을 구현한 조건하에 심장 오가노이드 형성을 유도하였다는 점입니다. 두 번 째로는 성숙한 심실 타입 심장 오가노이드의 형성시 LEFTY-PITX2 신호전달 기전이 중요한 역할을 함을 처음으로 규명하였다는 점입니다. 본 논문에 대해 요약하자면, 심장 중배엽 세포를 이용하여 심장 오가노이드를 형성하였으며, 이는 높은 박동 비율을 가지며 심실 타입의 박동 특성 및 유전자 및 단백질 발현을 가집니다.

또한, 구조적으로 근절이 잘 배열되어 있었으며, 성숙한 심근세포가 갖는 구조적 특징인 T-tubule 또한 관찰되었으며, 미토콘드리아의 성숙화 및 심장의 대사적 성숙화가 유도되었습니다. 이 과정에서, LEFTY의 발현이 급격히 증가되는 것을 발견하였으며, LEFTY의 기능저하를 통하여 세포외기질 (ECM)-인테그린, 국소접착 (Focal adhesion)과 관련된 유전자 및 단백질의 발현 그리고 인산화가 조절된다는 것을 발견하였습니다. 또한, 심실 타입 심근세포의 마커인 MLC2v와 성숙화된 T-tubule의 마커인 CAV3 가 LEFTY의 기능저하를 유도한 군에서 감소됨을 발견하였습니다. 본 결과는, 심장 중배엽 세포를 이용하여 자기조립 과정을 통해 성숙한 심실 타입의 심장 오가노이드 형성시 LEFTY-PITX2 신호 기전이 중요하게 작용함을 제시하였습니다.

이러한 결과를 바탕으로, 심장 중배엽 세포 유래 심실 타입의 성숙 오가노이드를 이용하여 신약 개발, 질병 모델링 등 다양한 응용분야에 이용될 것이며, 동물실험을 대체할 수 있는 유용하고 매력적인 도구가 될 것이라 예상됩니다.

2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁 드립니다.

본 연구는 고려대학교 의과대학 순환기내과의 임도선 교수님 지도 하에 진행이 되었습니다. 저희 연구실은 인간 다능성 줄기세포로부터 심근세포로의 성숙 분화를 유도하는 성숙인자의 선별, 성숙 인자 기반 심근세포 성숙화 기전 규명, 심장 오가노이드의 성숙화 및 혈관화 연구 등을 수행하고 있습니다. 상기 연구를 통해 본 연구실에서 확립한 2D 및 3D 기반 생체외 줄기세포 유래 심혈관질환의 효능 및 독성 평가 모델 시스템은 동물실험을 대체할 수 있습니다. 또한, 3D 바이오 프린팅 기술과 세포 시트 (cell sheet) 제작과 같은 3차원 배양을 통한 세포 치료의 가능성을 높이기 위한 조직공학 연구도 활발히 진행 중에 있습니다. 또한, 최근에는 섬유아세포로부터 심근세포로 교차분화를 유도하는 direct cardiac reprogramming 연구도 수행하고 있습니다. 따라서 저희 연구실에서는 다양하고 폭 넓은 연구를 도전해 볼 수 있으며, 연구자들끼리 다양한 의견들을 개진하고, 서로 공유하여 올바른 연구 방향을 설정하여 보다 심도 있는 연구를 진행할 수 있었습니다.

3. 연구활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

항상 실험이 처음 계획한 대로 흘러가는 것은 아니지만, 나온 결과를 바탕으로 새로운 방향성을 찾아 교수님, 박사님, 연구실원들과 같이 디스커션을 통해 문제점을 해결하고, 연구 결과의 도출을 통해 소소한 보람을 느끼고 있습니다. 이러한 소소한 보람을 차곡차곡 쌓아 하나의 그림을 완성시키고, 하나의 연구를 마무리 짓는 방법을 배우게 된 것에 대해서 보람을 느끼고, 이것이 좋은 저널에서 논문으로 결실을 맺었다는 것에 감사함과 뿌듯함을 느낍니다.

4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?

제가 대학원을 처음 진학하고자 마음먹었을 때의 저는 “심장과 관련된 연구를 하자!” 라는 막연한 주제만 생각한 채, 시작하여, 도움이 될지는 모르겠지만 현재의 제가 후배님들께 조금이라도 도움이 되면 좋겠다는 생각으로 말씀드리도록 하겠습니다.

첫 번째로, 자신이 진학하고자 하는 연구실에서 어떠한 연구들을 하고 있는지, 어떤 실험을 할 수 있는지를 파악하여야 합니다. 연구실에서 나왔던 논문들을 통하여 자신이 이 주제에 대한 연구들이 자신의 흥미를 불러올 수 있는지, 혹은 자신이 하고 싶은 연구가 있다면 그 연구를 실현 가능하도록 할 수 있는 연구들을 할 수 있는지 혹은 그를 대체할 수 있는 연구가 있는지를 파악하여야 합니다.

두 번째로, 자신이 하고싶은 연구가 어떤 연구인지를 결정하는 것도 중요하지만, 그 연구에서 가설을 세우고 연구를 진행하여야 합니다. 그렇게 때문에, 자신이 하고자 하는 연구와 관련된 연구들의 트랜드를 익히고, 어떠한 방향으로 진행될 것인지에 대한 방향성을 생각해본 뒤 가설을 세우는 것이 필요할 것이라 생각됩니다. 그 과정에서는 업데이트되는 논문들을 정기적으로 찾아보고 읽어보는 노력이 있어야 합니다. 대부분의 연구자들이 연구를 처음 시작할 때 논문을 많이 읽고 가설을 세우지만, 연구를 진행하는 중에도 새로 보고되는 연구 분야의 논문들을 지속적으로 파악해야만, 처음에 세웠던 가설을 올바르게 수정할 수 있고, 도출되는 연구 결과에 대한 타당한 해석이 가능하다고 생각합니다.

세 번째로, 지속적인 디스커션이 필요하다는 것입니다. 사람마다 성향도, 성격도 다르듯이 생각 또한 다릅니다. 많은 사람들과 이야기를 하고 의견을 내고, 생각을 공유하면서 답이 보이지 않았던 문제에 대해서 답을 얻거나 방향성을 얻을 수 있습니다. 저도 교수님들과 박사님들, 그리고 연구실의 선생님들과 디스커션을 통하여 결과를 공유하고 서로의 연구를 통해서 답을 주고받기도 하며, 디스커션을 통하여 다양한 방향성을 얻기도 하였습니다. 후배님들도 혼자서 끙끙 앓지 않고 디스커션을 통하여 다양한 의견과 생각을 통하여 폭 넓은 생각을 하며 연구를 이끌어갔으면 좋겠습니다.

5. 연구활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?

심장 오가노이드의 성숙화 및 혈관화에 대한 연구를 통하여 이를 응용할 수 있는 심장 독성 평가나 질병 모델링과 관련하여 다양한 분야에 도전하고자 합니다. 또한, 심장 오가노이드를 이용하여 질병에 대한 metabolism의 조절에 대한 연구에도 관심이 있어 기회가 된다면 연구를 해보고 싶습니다. 이렇듯 앞으로도 다양한 연구에 도전해보고 싶습니다.

6. 다른 하시고 싶은 이야기들....

먼저, 연구를 진행할 수 있도록 수많은 지원과 코멘트, 위로와 격려를 아끼지 않고 올바른 길로 이끌어 주시고 지도해주신 임도선 교수님께 감사의 말씀을 드리고 싶습니다. 또한, 처음 연구실에 와서 미숙한 연구자 임에도 다그치지 않고 꾸준히 이끌어 주신 최승철 박사님, 주형준 교수님께도 감사드립니다. 연구를 위해서 좋은 코멘트와 연구에 도움을 주신 차정준 교수님, 안태훈 교수님, 박치연 박사님께도 감사드립니다. 연구에 도움을 주신 류임주 교수님, 나지은 선생님, 최종일 교수님, 고태희 박사님, 박용두 교수님, 장용준 선생님, 김정안 교수님께도 감사의 말씀들 드리고 싶습니다. 그리고 항상 저희를 응원해주시고, 아낌없는 조언도 해주시는 하림 선생님, 룡휘 선생님, 려화 선생님, 혜진 선생님, 보연 선생님, 샛별 선생님께도 모두 감사드립니다.

또한, 서로 힘이 되어주고, 위로가 되고, 응원하면서 대학원 생활을 함께 헤쳐 나가고 있는 경섭 오빠, 지민 언니, 성민 언니, 누리 모두 감사드립니다. 교수님들, 박사님들, 선생님들 덕분에 더욱 성장할 수 있었습니다.

마지막으로, 항상 제 의견을 존중해주시고, 응원해주시고, 믿어 주시는 부모님, 티격태격 대지만 항상 먼저 챙겨주는 언니, 그리고 승현이까지 사랑하는 가족에게 고마움을 전합니다.