김승연 (충남대학교 산학협력단) | 한빛사논문 > 한빛사

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충남대학교 산학협력단

Mater. Today Bio, Apr 2026, 37 102972 | https://doi.org/10.1016/j.mtbio.2026.102972 CRISPR-engineered human lung organoids with a biomolecular condensate reporter enable mechanistic toxicity monitoring

Seung-Yeon Kim ^a, Ji-Won Baek ^b, Eo Jin Kim ^b, Sathiyaraj Srinivasan ^b, Kee K. Kim ^a, Eun-Mi Kim ^b

^aDepartment of Biochemistry, College of Natural Sciences, Chungnam National University, Daejeon, 34134, Republic of Korea
^bDepartment of Bio & Environmental Technology, College of Science and Convergence Technology, Seoul Women's University, Seoul, 01797, Republic of Korea

Corresponding authors: Kee K. Kim, Eun-Mi Kim

Abstract

Understanding how chemical stress perturbs human lung physiology requires models that capture dynamic molecular responses in real time. Here, we established a CRISPR/Cas9-engineered human induced pluripotent stem cell (hiPSC)-derived lung organoid expressing endogenous G3BP1-mCherry, enabling live, non-destructive visualization of stress granule (SG) formation under toxicant exposure. The organoids recapitulated airway and alveolar epithelial diversity and displayed lamellar body-like ultrastructures, indicating advanced maturation. Time-lapse imaging revealed rapid and reversible SG dynamics across chemically distinct stressors, while cytotoxicity assays showed that these organoids are significantly more sensitive than conventional 2D or cancer-derived lung models. Importantly, SG dynamics were linked to exposure duration-dependent changes in epithelial barrier integrity, indicating that SG formation precedes overt epithelial injury and serves as an early indicator of toxicant-induced cellular stress. Integration with high-content screening enabled quantitative, image-based analysis of cellular stress phenotypes, greatly enhancing throughput and mechanistic insight, thereby provided next-generation New Approach Methodologies for lung toxicity assessment. Together, this hiPSC-derived lung organoid SG reporter platform links early molecular stress adaptation to tissue-level responses, offering a predictive and mechanistically informative framework for human-relevant lung toxicity evaluation.

논문소개전체 설명

세포 스트레스 ‘찰나의 순간’을 포착하는 인간 폐 오가노이드 기반 독성 평가 기술

■ ‘사후 결과’ 아닌 ‘찰나의 순간’ 포착: 독성 평가의 새로운 접근
현대 사회에서는 소독제, 방부제, 세정제 등 다양한 화학물질이 생활환경에 널리 사용되고 있으며, 이에 따라 인체 노출 가능성도 증가하고 있다. 그러나 기존 독성 평가는 주로 세포가 손상되거나 사멸한 이후의 결과를 확인하는 방식이 중심이어서, 독성이 시작되는 초기 세포 반응을 정밀하게 파악하기 어렵다는 한계가 있었다.
본 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 세포가 스트레스를 인지하는 ‘찰나의 순간’을 실시간으로 관찰할 수 있는 새로운 독성 평가 기술을 개발했다. 연구팀은 세포가 외부 자극을 받으면 빠르게 형성되는 분자 응집체인 ‘스트레스 과립(Stress Granule)’에 주목했다.
연구팀은 CRISPR/Cas9 기반 유전자 편집 기술을 이용해 인간 유도만능줄기세포(iPSC)의 G3BP1 유전자에 형광 리포터를 도입하고, 스트레스 과립 형성을 형광 신호로 관찰할 수 있는 ‘스트레스 리포터’를 개발했다. 이어 해당 세포를 인간 폐 오가노이드로 분화시켜, 폐 세포가 스트레스를 받는 초기 반응을 형광 신호로 실시간 분석할 수 있는 시스템을 구축했다. 이를 통해 세포 손상이 나타나기 이전 단계에서 발생하는 초기 스트레스 반응을 정밀하게 포착하여 화학물질의 독성 여부를 더욱 빠르고 정량적으로 평가할 수 있는 기술적 기반을 마련했다.
■ 동물실험을 보완할 새로운 독성 평가 접근법 제시
이번 연구는 생체분자 응집체 기반 스트레스 감지 기술, CRISPR 유전자 편집 기술, 인간 줄기세포 유래 오가노이드 기술을 융합하여 인간 조직 수준의 생리적 반응을 생체 시료를 파괴하지 않고 실시간으로 분석할 수 있는 시스템을 구현했다는 점에서 의미가 있다. 또한, 기존의 2차원 세포주나 동물모델의 한계를 보완하고 인간 오가노이드에서 독성 반응을 분석할 수 있다는 점에서 차세대 독성 평가 방법(NAMs, New Approach Methodologies) 연구에 활용될 수 있는 기반 기술을 제시했다.
■ 환경 유해인자부터 감염 연구까지… 정밀 독성평가 플랫폼으로 확장
이 기술은 향후 다양한 오가노이드 모델에 적용되어 화학물질과 환경 유해인자, 바이러스·세균 감염, 의약품 안전성 평가 등 다양한 분야에서 정밀 독성 평가와 작용 기전 연구에 활용 가능한 인간 기반 연구 플랫폼으로 확장 가능성을 보여준다.

논문정보

형식Research article
게재일2026년 04월 (BRIC 등록일 2026-03-17)
연구진국내 연구진
분야 의약학 > 재생의학

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