목 차 

1. 서론
2. 본론
  2.1. 오가노이드란?
    2.1.1. 오가노이드 정의
    2.1.2. 오가노이드 유래세포 종류
    2.1.3. 오가노이드 제작방법
    2.1.4. 2차원 세포배양, 3차원 세포배양, 동물 모델 장단점
  2.2. 감염질환 오가노이드 종류
    2.2.1. 뇌
    2.2.2. 간
    2.2.3. 위&대장&소장
    2.2.4. 폐
    2.2.5. 신장
    2.2.6. 피부
    2.2.7. 혈관
  2.3. 오가노이드를 이용한 감염질환 연구 동향
    2.3.1. 글로벌 변화 시대의 감염질환의 중요성 증가
    2.3.2. 감염질환 진단 및 치료시장 확대
    2.3.3. 감염질환 모사 오가노이드 필요성
3. 결론
4. 참고문헌


1. 서론

오가노이드(Organoid) 혹은 장기유사체는 배아줄기세포(Embryonic Stem Cell, ESC), 성체줄기세포(Adult Stem Cell, ASC), 유도만능줄기세포(Induced Pluripotent Stem Cell, iPSC)로부터 자가재생(Self-renewal)과 분화(Differentiation) 및 자기조직화(Self-organization)을 통해 형성된 3차원 세포 집합체이다. 오가노이드는 주로 정상조직을 모방하여 기전연구 등에 사용되기도 하지만, 암, 치매, 감염과 같은 질환을 체외(In-vitro)에서 모방하고, 질환의 기전이나 치료제의 효능을 평가하기 위해 많이 연구되고 있다. 오가노이드 질환모델 중에서 최근 코로나바이러스감염증-19(Coronavirus Disease 2019, COVID-19)와 같은 감염질환 유행으로 오가노이드를 감염질환연구에 활발히 활용되고 있다.

감염(Infection)은 병원체가 숙주 내에서 분열 증식하고 있는 상태로 그 결과 사람에게는 질병이나 면역 반응을 일으키게 되며, 감염질환(Infectious Disease)은 “어떤 특정 병원체 혹은 병원체의 독성 물질 때문에 일어나는 질병으로 병원체 혹은 독성 물질에 감염된 사람, 동물 혹은 기타 병원소로부터 감수성 있는 숙주(사람)에게 전파되는 질환”을 말한다. 이러한 질환의 기전 또는 질환 치료를 위해서 인체를 대상으로 실험하기 전에 체외에서 생체와 유사한 오가노이드 모델을 이용하려는 연구들이 최근에 활발하게 연구되고 있다. 감염질환 모사 오가노이드는 주로 ESC, ASC 또는 iPSC를 이용하여 3차원 세포배양 과정을 통해 자가재생과 분화 및 자가조직화 특성을 갖게 된다. 감염질환은 주로 바이러스, 세균 등 미생물에 의한 감염으로 그 위해도에 따라 주로 장, 폐, 간 오가노이드의 감염질환 모델이 활발하게 연구되고 있다. 또한, 최근 제2형 중증급성호흡기증후군 코로나바이러스(Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2, SARS-CoV-2)로 인해 발생하는 급성 호흡기 질환인 코로나바이러스감염증-19(Coronavirus Disease 2019, COVID-19)을 모사한 폐, 혈관, 신장 오가노이드 모델도 활발하게 연구되고 있다. 본 동향보고서에서는 장기 및 인체 구조물에 대한 감염질환 오가노이드 모델을 소개하고, 각 모델 별로 오가노이드 제작에 사용된 세포를 분류하여 연구동향을 소개하고자 한다.

2. 본론

2.1 오가노이드란?

2.1.1. 오가노이드 정의

사람의 체세포나 줄기 세포(다른 유형의 세포가 발생하는 세포)를 실험실에서 배양하여 만든 3차원 소형 기관과 같은 구조체를 오가노이드(Organoid)라고 한다. 즉, 장기를 뜻하는 'organ'에 유사함을 뜻하는 접미사 ‘oid’을 붙여서 장기유사체를 오가노이드라고 한다. 오가노이드는 다양한 유형의 세포를 포함하며 인간 조직 및 기관의 구조, 조직 및 일부 기능을 밀접하게 모방한다. 사람의 종양 세포로 만들어진 오가노이드는 원래 종양에서 발견된 것과 유사한 조직학적, 유전학적, 분자학적 특징을 가지고 있다. 오가노이드는 실험실에서 정상 조직이나 암과 같은 질환이 어떻게 형성되는지 연구하고, 사람들에게 투여되기 전에 새로운 약물의 효능과 기타 유형의 치료법을 테스트하는 데 사용된다.

오가노이드를 만드는 재료는 ESC, ASC, iPSC가 있으며, 이러한 세포들은 자가재생 또는 자가 조직화를 통해 3차원 세포 집합체를 형성하는데 이를 오가노이드라고 부른다 [1, 2]. 예를 들면, 장 오가노이드는 인체 장기를 모방하는 것으로 인체 장조직이 가지고 있는 장술잔 세포(Goblet Cell), 상피세포(Enterocyte), 장내분비세포 (Enteroendocrine Cell), 장 줄기세포(Intestinal Stem Cell)로 구성되고 영양분 흡수와 수분을 배출하는 융보(Villus)와 움(Crypt)이라는 울퉁불퉁한 특이한 구조를 모사해야 한다.

오가노이드의 주요 응용분야는 크게 질환모델과 재생치료분야가 있다. 암, 치매, 감염 등과 같은 질환을 세포 기반의 오가노이드 모델로 모사하면, 사람 또는 동물을 대신하여 질환의 기전을 연구할 수 있을 뿐만 아니라 신약 개발 분야에도 활용될 수 있다. 따라서 오가노이드를 이용한 질환모델은 동물 대체 실험방법으로 주목받고 있으며, 신약후보물질의 임상실험 전 성능을 검증하여 비용과 시간을 획기적으로 줄일 수 있는 중요한 실험법으로 많은 개발이 이루어지고 있다. 또한, 오가노이드는 인체 모사도가 매우 높기 때문에 기존 동물 질환 모델로는 진행하기 어려웠던 다양한 질환 연구에 이용 가능하다. 오가노이드를 이용한 재생치료는 손상된 조직을 정상 상태와 유사하게 복구시키는 세포치료제이다. 오가노이드를 장기의 손상된 부위에 이식했을 때 손상 조직을 복구하거나 대체하는 능력이 탁월하다. 이러한 재생능력을 활용하여 다양한 난치병 치료제를 개발할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

최근에는 오가노이드 분야에서 암 질환을 모사하는 연구가 활발하며, 암 오가노이드(Cancer Organoids)는 암환자의 암 조직에서 분리하여 체외에서 배양하게 되어 기존에 줄기세포의 분화를 이용하여 인체장기를 모사하는 오가노이드와 차이가 있다. 암 오가노이드는 암환자의 특이적인 기질을 반영하며, 암환자의 항암제/방사선 치료 전에 체외에서 암 환자의 반응을 예측하는 연구들이 이루어지고 있으며, 암 오가노이드를 튜머로이드(Tumoroids)로 명령하기도 한다.

2.1.2. 오가노이드 유래세포 종류

오가노이드는 ESC, ASC 또는 iPSC로부터 자가재생과 분화 및 자기조직화를 통해 형성된 3차원 세포집합체로써 세포를 3차원 배양법으로 응집 및 재조합하여 제작하며, 모델링된 장기를 구성하는 특이적 세포를 포함하고 있다.

배아줄기세포(Embryonic Stem Cell, ESC)는 배아에서 유래한 줄기세포로 배아가 분화되기 전, 세포를 분리해 증식할 수 있도록 만든 줄기세포이다. 정자와 난자가 결합된 수정란이 세포 분열을 하면 여러 개의 세포가 뭉친 배반포(Blastocyst)가 만들어지는데, 이 배반포 안에 혈액, 뼈, 피부 등 인체 조직으로 성장할 수 있는 내부세포괴(Inner Cell Mass)가 생긴다. 이를 분리해 특정 환경에서 배양하면 분화 능력을 지닌 ESC가 된다. 이렇게 체외에서 분리 배양된 ESC는 인체의 어떠한 종류의 세포나 조직으로 분화할 수 있어 흔히 ‘만능 줄기세포’라고도 불린다 [3].

성체줄기세포(Adult Stem Cell, ASC)는 초기 분화 단계를 거쳐 정해진 기능의 세포로만 분화하는 줄기세포로써 초기 분화 단계를 이미 끝마쳐 세포의 기능이 정해져 있다. 자신의 기능에 따라 특정 세포로만 분화될 수 있는 성체줄기세포는 조직이나 기관의 세포 특성을 유지함과 동시에 손상된 세포를 재생하는 역할을 한다. 피부에 상처가 나면 아물고 새 살이 돋는 것과 같은 원리이다. 수정란이 분열해 생긴 배아의 중간 부분에서 분화된 연골, 골조직, 지방조직 등에 존재하는 중간엽 줄기세포(Mesenchymal Stem Cell, MSC)가 대표적인 성체줄기세포이다 [3].

유도만능줄기세포(Induced Pluripotent Stem Cell, iPSC)는 분화를 마치고 성숙된 세포의 성장 과정을 거꾸로 돌려 만든 줄기세포로 성장을 마쳐 더 이상 분화할 수 없는 체세포를 거꾸로 분화시킨 세포이다. 줄기세포와 같은 기능을 가지도록 인위적으로 만든 세포로, 발생 과정으로 인해 흔히 ‘역분화 줄기세포’라고도 한다. 유도만능줄기세포는 배아를 분리하지 않아도 줄기세포를 얻을 수 있고, 성숙된 세포에서 만들어지기 때문에 면역 거부 반응 문제가 없다는 장점이 있다 [3].

표 1. 오가노이드 유래세포 종류 [3, 4]

2.1.3. 오가노이드 제작방법

오가노이드는 주로 ESC, ASC 또는 iPSC로부터 자가재생과 분화 및 자가조직화를 통해 Bottom-up 방식으로 제작된다. 줄기세포가 다양한 장기의 구성 세포로 분화하면서 하나의 장기 유사체를 형성하는 방식이다. 인체와 매우 유사한 세포 구조까지 모방할 수 있는 장점이 있지만, 분화조절의 재현성이 확보되어야 하는 문제점이 있다. 최근에서, 이미 여러 기능세포 형태로 분화되거나 조직 세포를 3차원으로 프린팅 하여 장기 유사체를 만드는 Top-down 방식도 활발하게 연구되고 있다. 분화된 세포 또는 조직 추출 세포를 사용하므로 분화조절의 재현이 용이하고, 균일한 장기 모사체 제작이 가능하다는 장점이 있다.

표 2. 오가노이드 제작방법

오가노이드 Bottom-up 제조 방식은 ESC, ASC 또는 iPSC를 이용하여 하나의 줄기세포에서 장기를 구성하는 세포를 차례로 만들어서 인체 장기의 미세하고 복잡한 구조물을 구현하는 방식이다. 따라서 이러한 방식으로 오가노이드를 제조하기 위해서는 줄기세포의 세밀한 분화조절 기전까지 완전히 연구되어 통제가능하고, 재현성이 확보되어 있을 때 비로소 재현성 있는 Bottom-up 제조 방식의 오가노이드 제조가 가능하다.

오가노이드 Top-down 제조 방식은 3D 바이오 프린터를 이용하여 오가노이드를 만드는 방식으로 타깃 장기를 구성하는 다양한 세포를 3차원 프린팅하여 연결하고 특정기능을 가지는 오가노이드로 체외에서 만드는 방식이다. 장기의 구성 세포들을 레이어 형태로 분주하여 장기와 유사한 모양을 만들고 공배양 방법을 통해 장기의 기능을 가지도록 여러 세포뿐만 아니라 세포외기질(Extracellular Matrix)을 함께 주입한다. 이미 기능세포로 분화된 오가노이드 구성 세포를 분주하여 연결, 배양하는 방식으로 오가노이드 재현성이 높은 장점이 있다.

2.1.4. 2차원 세포배양, 3차원 세포배양, 동물 모델 장단점

기존 세포배양 연구는 주로 2차원 환경에서 진행되어 왔다. 그러나, 2차원 세포배양 환경에서는 실제 세포의 체내 환경에 비해, 세포가 제대로 성장하지 못하거나 세포 고유의 기능이 떨어지는 문제가 발생했다. 이러한 문제점들로 인해 새롭게 주목받기 시작한 것이 3차원 세포배양이다. 3차원 세포의 가장 큰 장점은 체내와 유사한 환경을 제공할 수 있다는 것이다. 즉, 인체의 조직과 유사한 3차원의 입체적인 환경을 조성하기 때문에 세포의 활동성이 생체 내 환경과 매우 유사한 장점이 있다. 따라서 3차원 세포배양은 기존의 간편하고 효율적인 2차원 세포배양을 기반으로 하는 생화학적, 세포생물학적 분석기법을 활용 및 적용하여, 2차원 세포배양의 한계점을 극복한 세포배양법이다.

표 3. 오가노이드 제작방법

2.2. 감염질환 오가노이드 종류

감염은 병원체가 숙주 내에서 분열 증식하고 있는 상태로 그 결과 사람에게는 질병이나 면역 반응을 일으키게 되며, 감염질환은 “어떤 특정 병원체 혹은 병원체의 독성 물질 때문에 일어나는 질병으로 병원체 혹은 독성물질에 감염된 사람, 동물 혹은 기타 병원소로부터 감수성 있는 숙주(사람)에게 전파되는 질환”을 말한다. 이러한 질환의 기전 또는 질환 치료를 위해서 인체를 대상으로 실험하기 전에 체외에서 생체와 유사한 오가노이드 모델을 이용하려는 연구들이 최근에 활발하게 연구되고 있다. 감염질환은 바이러스, 세균 등 미생물에 의한 감염으로 그 위해도에 따라서 주로 장, 폐, 간 오가노이드의 감염질환 모델이 활발하게 연구되고 있고, 최근 코로나바이러스 유행으로 인해 폐, 혈관, 신장 오가노이드 모델도 활발하게 연구되고 있다. 본 동향 보고서에서는 7개의 장기에 대한 감염질환 오가노이드 모델을 소개하고, 각 모델 별로 사용된 세포로 분류해 연구동향을 소개하고자 한다.

그림 1. 감염질환 오가노이드 종류

2.2.1. 뇌

뇌는 외배엽에서 유래한 대표적인 장기로 뇌 오가노이드 모델은 소두증과 같은 다양한 질환에 체외 유사장기 모델로서 연구되고 있다. 특히 뇌 오가노이드는 일반적인 1차 세포(Primary Cell, PC)를 이용한 1차 세포 배양(Primary Cell Culture, PCC)을 통해 세포를 취득하기 어려운 장기이다 [6]. 대부분의 뇌 오가노이드 모델은 iPSC나 ESC를 이용하여 제작 및 연구 개발이 수행되고 있다. 뇌는 인체의 가장 중요한 장기로 쉽게 대체하기 어려운 특징이 있다. 특히 대뇌피질을 모사할 수 있는 동물모델은 현재 개발되어 있지 않아 대뇌 피질을 모사할 수 있는 뇌 오가노이드 모델의 개발이 시급하게 요구되고 있다. 또한 지카 바이러스(Zika Virus, ZIKV)가 인간 태아에게 소두증을 야기한다는 의혹이 제기되었으나, 종 특이성, 감염세포 특이성을 지닌 ZIKV 특성으로 인해 쥐 모델 또는 불멸화된(Immortalized) 세포주를 이용하여 분석 및 검증 연구를 수행하는데 어려움이 있다. 이후 연구자들은 태아의 뇌 발달을 모사할 수 있는 뇌 오가노이드 체외 모델을 이용하여 ZIKV의 자세한 감염 및 인간 태아 소두증 유발 메커니즘을 밝혔다 [8, 11, 12].

표 4. 뇌에 대한 감염질환 오가노이드 모델

대뇌 오가노이드 모델 [8]에서는 인간 iPSC를 이용하여 발생 단계에 있는 전뇌와 유사한 구조의 인간 뇌 오가노이드를 만들고, 이를 ZIKV에 노출시키는 연구가 수행되었다. ZIKV의 감염 메커니즘을 분석한 결과, ZIKV는 오가노이드 내 신경 전구세포에 1차로 감염되어, 감염된 신경 전구세포의 세포사멸을 유도함을 확인하였다. 그 결과 신경세포층이 축소되어 인간 태아 소두증이 발생하는 것임을 검증하였다.

그림 2. ZIKV 감염 뇌 오가노이드 모델 [8]

소두증 환자 유래 오가노이드 모델 [14]에서는 소두증 환자로부터 유래된 피부섬유아세포를 이용한 iPSC로 소두증을 모델링하는 연구가 수행되었다. 소두증 대뇌 오가노이드를 분석한 결과, 정상 오가노이드에 비해 신경 상피 조직이 작게 형성되었으며, 과도한 신경 성장이 유도됨을 확인하였다. 이는 초기 전구 세포의 손상으로 인해 조기에 과도한 신경 분화가 유도되는 것을 발견한 연구로써, 소두증 발병의 메커니즘이 전구 세포 집단의 정상적인 성장 및 분화의 실패로 인한 작은 뇌 크기와 작은 두개골 형성으로 이어짐을 검증하였다.

2.2.2. 간

간은 내배엽과 중배엽으로부터 유래된 세포들이 복합적으로 얽혀 형성된 장기로, B형 간염(Hepatitis B Virus Infection, HBV Infection), C형 간염(Hepatitis C Virus Infection, HCV Infection), 아메바 간농양(Amebic Liver Abscess) 등과 같은 다양한 간 질환 오가노이드 모델에 대한 연구가 이루어지고 있다. 이외에도 병원체와의 공동 배양 모델을 이용하여 SARS-CoV-2 감염 메커니즘 연구 등이 수행되고 있다 [6]. 또한 간은 독성 반응이 잘 나타나는 장기 중 하나로, 간 오가노이드 모델을 이용한 독성 평가 연구가 활발히 수행되고 있다. 간 오가노이드는 iPSC, PC, 세포주 기반 모델 등 다양한 프로토콜이 개발되어 이용되고 있다. 현재 매년 전 세계 약 2백만명이 간 질환으로 사망하고 있으며, 국내 및 국외에서 모두 높은 미충족 의료 수요(Clinical Unmet Needs) 및 연구개발 시장성을 가진 장기로, 보다 활발한 연구 개발이 진행되고 있다.

표 5. 간 감염질환 모사 오가노이드 모델

급성 열성 감염증(Acute Febrile Infection) 오가노이드는 [20] iPSC를 이용해 제작하여 항말라리아 약물 스크리닝에 대한 연구를 진행하였다. 프라스모지움베르게이(Plasmodium Berghei, P.berghei), 플라스모디엄 요엘리(Plasmodium Yoelii, P.yoelii), 열대열원충(Plasmodium Falciparum, P.falciparum) 및 삼일열원충(Plasmodium Vivax, P.vivax) 기생충으로 간모세포 단계에서 말라리아(Malaria)가 감염되었음을 확인하였다. 또한, 항말라리아 약물 스크리닝을 수행하여 아토바쿠온(Atovaquone)에 민감한 반응을 보였고, 화학적 성숙을 통해 프리마퀸(Primaquine)에 대한 민감도를 향상시킴으로써, 이러한 모델이 항말라리아 약물 스크리닝에 사용될 수 있음을 보였다.

아메바 간농양 오가노이드 [21]는 간 동양혈관 내피 세포(Liver Sinusoidal Endothelial Cell, LSEC) 및 세포주 Huh-7 간암 세포 또는 B형 간염 바이러스(Hepatitis B Virus, HBV) 수용체인 타우로콜레이트 동시 수송 폴리펩타이드(Sodium Taurocholate Cotransportering Polypeptide, NTCP)를 안정적으로 발현하는 세포주 Huh7-NTCP 간세포의 배양물을 이용하여 제작되었다. 콜라겐 안에서 간세포와 아메바증을 유발하는 원생동물 기생충인 적리아메바(Entamoeba Histolytica, E.histolytica), 만성 감염을 유발하는 HBV를 동시에 공배양하여 감염 모델을 제작하였으며, 이는 궁극적으로 간경화 및 간암 유발 간 오가노이드 모델로 이용될 수 있다 [21, 22].

그림 3. 아메바 감염 간 오가노이드 모델 [21]

2.2.3. 위&대장&소장

위, 대장, 소장은 균과 바이러스에 가장 노출이 많이 되는 기관으로, 헬리코박터균(Helicobacter Pylori, H.pylori), 살모넬라균(Salmonella Enteritidis, SE), 대장균(Escherichia Coli, E.coli)과 같은 다양한 병원균 및 원생생물, 바이러스에 대한 공배양 모델이 주로 개발되어 왔다. 이외에도, 장 오가노이드를 이식하여 오가노이드 치료제로 활용하는 연구도 활발하게 진행 중이며, 다양한 약물에 대해 위장-장 부작용(설사, 복통)을 확인하는 독성 평가 모델로서도 장 오가노이드 모델이 활발하게 연구되고 있다 [6].

특히 위, 대장, 소장 오가노이드는 iPSC, ESC, ASC로부터 분화된 모델뿐만 아니라, 내시경을 통해서도 인체 유래물에 대한 접근성이 높은 장기이다. 이로 인해, 주로 인체 유래물을 이용한 PCC 배양법을 통해 제작된 오가노이드 모델을 이용하는 연구가 수행되고 있다. SARS-CoV-2 감염 환자는 복통 및 설사와 같은 장 관련 증상을 보인다 [26, 32]. 하지만 바이러스가 가진 특이성으로 인해 쥐, 원숭이와 같은 동물모델을 이용하여 질환 메커니즘을 증명하기에 다소 어려움이 있다. 이때 장 오가노이드는 인체와 유사한 SARS-CoV-2 감염 수용체를 발현하고 있어서, SARS-CoV-2 감염에 의한 복통, 설사와 같은 장 관련 증상을 유발하는 메커니즘을 분석할 수 있다.

표 6. 위장, 소장, 대장에 대한 감염질환 오가노이드 모델

헬리코박터균 감염증(Helicobacter Pylori Infection, H.pylori Infection) 오가노이드 [27]는 인간의 배아줄기세포를 이용하여 인간의 위와 유사한 조직구조를 가진 위 오가노이드를 만들었다. 제작된 위 오가노이드를 이용하여 H.pylori을 감염시킨 다음, 인체와 유사한 숙주-병원체 상호작용이 일어남을 위 오가노이드 모델에서 교차 검증하는 연구가 수행되었다.

SARS-CoV-2 감염 대장 오가노이드는 [32] 장 세포가 SARS-CoV-2 수용체인 안지오텐신 전환 효소 2(Angiotensin-converting Enzyme 2, ACE2)를 발현하고 SARS-CoV-2 감염이 가능함을 확인하였다. 또한, 이마티닙(Imatinib), 마이코페놀산(Mycophenolic Acid), 퀴나크린 이염산(Quinacrine Dihydrochloride)으로 수행된 약물 스크리닝에서 SARS-CoV-2 감염을 억제시킴을 보였다. 이러한 연구 결과는 대장 오가노이드 모델이 SARS-CoV-2 치료제를 식별하기 위한 약물 스크리닝에 이용될 수 있음을 보인다.

>그림 4. SARS-CoV-2 감염 대장 오가노이드 모델 [32]

노로바이러스(Norovirus)는 전염성 급성 장염을 일으키는 주요 병원체로 알려져 있으며, Norovirus 오가노이드 [37]는 사람 소장 유래의 ASC를 이용하여 제작된 장 상피 오가노이드에 Norovirus를 감염시켜 제작되었다. 장 상피 오가노이드에서 Norovirus가 증식하는 현상이 발견되었으며, 특히 장 상피 오가노이드의 담즙이 Norovirus의 증식을 돕는다는 사실이 추가로 밝혀졌다. 이러한 연구 결과는 장 상피 오가노이드가 Norovirus에 대한 항바이러스제의 효과를 분석하는데 유용한 체외 모델이 될 수 있음을 시사한다.

2.2.4. 폐

폐는 내배엽과 중배엽으로부터 복합적으로 유래하는 장기로, 선천적 질병에 대한 유효성을 분석하기 위한 모델로 제작되기도 하며 [6], 2021년 SARS-CoV-2에 감염된 폐 오가노이드를 제작하면서 SARS-CoV-2 감염의 메커니즘을 밝혀내는 데 성공한 오가노이드 질환모델 연구 사례도 있다. 뿐만 아니라 약물 후보 물질의 효능을 분석하기 위한 약물 스크리닝에도 폐 오가노이드 모델을 적극적으로 이용하고 있다. 폐 오가노이드 모델은 결핵(Tuberculosis, TB), 폐렴(Pneumonia) 및 한타바이러스 폐 증후군(Hantavirus Pulmonary Syndrome, HPS)의 발병기전 연구에 이용되며, 여러 병원체 연구에 광범위하게 사용되고 있다. 폐 오가노이드는 iPSC나 ESC에서 분화하여 제작하는 것 외에도, 임상 환자의 폐, 기도 생검을 통해 획득된 세포를 체외 배양하여 폐 오가노이드 모델로 제작하는 연구도 활발히 수행되고 있다.

표 7. 폐에 대한 감염질환 오가노이드 모델

결핵 오가노이드 [51]는 다공성 막에서 배양된 1형 콜라겐 인간 폐 섬유아세포와 감염되지 않은 인간 일차 단핵구 및 결핵균(Mycobacterium Tuberculosis, MTB)에 감염된 인간 일차 대식세포를 공배양하여 제작되었다. 이후 인간 기관지 상피세포를 콜라겐-섬유아세포 기질 위에 분주하여 추가 배양을 수행하였다. 이렇게 공배양된 다세포 조직은 공기에 노출되어 추가 배양 과정을 통해 세포외기질 단백질 생산, 점액 분비 및 상피층의 층화가 시작되었다. 이처럼 제작된 폐 감염 오가노이드 모델은 인체와 유사한 생리활성 반응을 보였을 뿐만 아니라 대식세포의 군집 및 단핵구의 감염 부위 조직으로의 이동 현상이 유도되어 육아종과 같은 폐 감염 질환 현상을 나타낸다. 이러한 폐 감염 오가노이드 모델은 인간 결핵 육아종의 초기 단계를 성공적으로 모사하였다.

황색포도상구균 괴사성 폐렴(Staphylococcus Aureus Necrotizing Pneumonia) 오가노이드 [52]는 콜라겐 혼합물에 폐 섬유아세포를 혼합하여 Transwell 구조물에서 배양되어 제작되었다. 이후 기관지 상피세포를 추가로 분주하여 공기에 노출시키는 방식으로 배양하였다. 폐 오가노이드 감염을 위해 괴사성 폐렴 및 폐 농흉을 포함한 중증 폐렴 환자의 황색포도상구균(Staphylococcus Aureus, S.aureus) 균주와 박테리아 상청액 및 정제된 알파-톡신(α-toxin)가 감염원으로 사용되었다. 세부적으로 상층액에는 기공 형성 α-toxin과 팬톤-발렌타인 류코시딘(Panton Valentine Leukocidin, PVL) 세포 독소가 포함되어 있다. 괴사성 폐렴 및 폐 농흉균주의 상층액은 일차 인간 호중구에 대해 매우 높은 세포독성을 나타냈다. 괴사성 폐렴 분리물은 높은 수준의 α-toxin과 PVL을 분비하고, 상당한 α-toxin 매개성 폐 상피 손상, PVL 매개 호중구 세포 독성 및 폐 상피에서 독소 매개 사이토카인(Cytokine) 및 케모카인(Chemokine) 방출을 통해 염증을 유발하는 것을 폐 질환 오가노이드 모델에서 확인하였다. 이후 감염된 폐 질환 오가노이드의 독소 매개 손상은 α-toxin, PVL 및 임상 분리 상층액에 존재하는 다중 특이적 정맥 내 면역글로불린 항체에 의해 억제 및 치료된다는 연구가 보고되었다.

그림 5. S.aureus 감염 폐 오가노이드 모델 [52] 

한타바이러스 폐 증후군(Hantavirus Pulmonary Syndrome, HPS)을 유발하는 안데스 바이러스(Andes Virus, ANDV)를 연구하기 위해 인간 폐 섬유아세포 세포주 MRC-5와 인간 기관지 상피 세포층 세포주 16HBE14를 공기에 노출시키는 방식으로 배양하여 폐 감염 오가노이드 모델 [53]을 제작하였다. ANDV를 공기에 노출된 폐 오가노이드에 감염시킨 다음 약 1주 후에 바이러스 복제가 이루어지는 현상이 관찰되었다. 폐 감염질환 오가노이드 모델에서 바이러스 감염의 장기간 유지 및 지속적인 바이러스 생산 여부를 정량 분석하여 검증하였다. 특히 폐 감염질환 오가노이드 모델에서 바이러스의 지속적인 생산은 인터페론람다-1(Interferon Lambda-1, IFN-λ1), 인터페론람다-2(Interferon Lambda-2, IFN-λ2), 인터페론베타(Interferon Beta, IFN-β) 및 IFN 자극 유전자 인터페론 자극 인자56(Interferon-stimulated Gene 56, ISG56) mRNA의 발현 증가와 전염증성 Cytokine인 인터루킨 6(Interleukin 6, IL-6) 및 인터루킨(Interleukin 8, IL-8)의 발현량 증가 여부를 통해서도 정량적으로 교차 검증되었다. 이처럼 기존의 2차원 세포배양 모델과 같은 단층 세포배양 모델에서는 구현하기 어려운 장기간 감염 모델 연구가 폐 감염질환 오가노이드에서 가능한 것이 보고되었다.  

2.2.5. 신장

신장은 내배엽 유래 대표적인 장기로 다양한 질병에 대한 유효성 모델이 연구되고 있다. 신장 오가노이드는 PCC를 통해 세포 취득이 어렵고, 복잡한 사구체의 구조 때문에 대부분의 모델은 ESC나 iPSC를 사용한다 [6]. 예를 들면, 신장 오가노이드는 시가 독소(Shiga Toxin, Stx)로 인한 신장 손상에 대한 최초의 평가와 신부전 용혈성 빈혈 및 혈소판 감소증을 특징으로 하는 용혈성 요독 증후군(Hemolytic Uremic Syndrome, HUS)에 대한 새로운 정보를 제공하였다.

표 8. 신장에 대한 감염질환 오가노이드 모델

인간 재조합 가용성 안지오텐신 전환 효소 2(Human Recombinant Soluble Angiotensin Converting Enzyme 2, hrsACE2)를 SARS-CoV-2에 결합시킨 신장 오가노이드 [55]는 SARS-CoV-2의 확산이 억제되는 것을 실험적으로 검증했다. 가용성 ACE2가 폐 손상을 예방할 뿐만 아니라 SARS-CoV-2가 표적 세포에 들어가는 것을 차단함에 대한 기전을 신장 오가노이드 모델에서 확인하였다.

그림 6. SARS-CoV-2 감염 신장 오가노이드 모델 [55]

Stx 및 그 변종은 세균성 장 감염 동안 세균성 이질균(Shigella Dysenteriae, S.dysenteriae) 및 Stx 생성 대장균(Shiga Toxin Producing Escherichia Coli, STEC)이 분비하는 세균성 세포 독소이다. 정제된 지질 다당류(Lipopolysaccharide, LPS)가 없는 시가 독소2(Shiga Toxin 2, Stx2)는 2차원, 3차원 세포 배양 시스템에서 모두 독성을 가지는 것으로 나타났다. 특히, 인간 세포주로 만든 신장 오가노이드 [56]에서는 2차원 시스템에서 배양된 세포에 비해 신장 손상 마커(Kidney Injury Marker 1, Kim-1)의 수준이 상승했다. 뿐만 아니라, Stx2로 처리된 신장 오가노이드 모델에서 염증성 Cytokine인 IL-6, IL-8 및 종양 괴사 인자(Tumor Necrosis Factor, TNF-α)의 분비가 증가하는 것으로 나타났다.

2.2.6. 피부

피부는 다층적 기관으로, 단순히 피부세포 외에도 샘선, 모낭, 온도나 통증신경 등 다양한 구성요소를 포함하고 있다 [6]. iPSC를 이용한 피부 오가노이드 모델은 노화된 피부를 모방하기에 한계가 존재한다. 그럼에도 불구하고, 피부 오가노이드 모델은 감염질환 모델링 및 재생의학에 많이 이용되고 있다. 대표적으로 PCC를 이용한 감염 오가노이드 모델은 신경 잠복기에 대한 구성요소를 가지며, 잠복기 및 재활성화로 이어지는 메커니즘을 검증할 수 있다.

표 9. 피부에 대한 감염질환 오가노이드 모델

인간 피부 조직 오가노이드 [57] 모델을 이용하여 박테리아 및 바이러스 감염 연구가 수행되었다. 2차원 단층 세포배양에서는 확인이 어려운 바이러스 잠복기 및 바이러스 재활성화에 대한 연구를 수행하기 어렵기 때문에, 3차원 세포배양을 이용해 다층 구조의 피부 오가노이드를 만들어 단순 포진 바이러스 유형 1(Herpes Simplex Virus Type 1, HSV-1)에 대한 침투 여부를 확인할 수 있는 모델을 구현한다.

중층상피와 섬유아세포 진피층을 구성한 피부 오가노이드 [58]는 연쇄상구균(Streptococcus Dysgalactiae Subsp Equisimilis, SDSE)의 발병기전에 대한 연구를 수행하였다. 모든 SDSE균주는 조직 생검에서 볼 수 있는 것과 유사한 박테리아로 이러한 SDSE 피부 오가노이드 모델을 감염시킬 수 있으며, 특히 침습성 SDSE균주는 상피 전체에 퍼져 상피의 파괴 및 분리로 상당한 조직 손상을 일으킴으로써 인체의 감염 증상 및 메커니즘과 유사한 결과를 얻었다.

그림 7. SDSE 감염 피부 오가노이드 모델 [58]

2.2.7. 혈관

혈관은 뇌로 영양분을 공급할 뿐만 아니라, 혈관 미세 환경을 제공함으로써 뇌신경세포의 발달, 재생, 이동에 중요한 역할을 하는 기관이다. 혈관 오가노이드는 좀 더 정밀한 뇌 발달 및 질병 모델을 제공하고 이식 시 생체 내 생착률을 높여 기능성 높은 오가노이드 치료제 개발이 가능할 것으로 기대되고 있다. 또한 혈관 오가노이드는 감염질환의 이동 경로를 모사할 뿐만 아니라 특정 단백질의 감염질환 확산 방지 기능을 연구하는데 이용된다.

표 10. 혈관에 대한 감염질환 오가노이드 모델

혈관 오가노이드는 최근 SARS-CoV-2 감염을 연구하는데 많이 사용되었다. 연구결과 ACE2가 SARS-CoV-2 감염의 주요 수용체로 확인되었다. 따라서 이 상호작용을 억제하는 약물이 개발되면 COVID-19 환자를 치료하는 데 사용될 수 있을 것으로 고려된다. 혈관 오가노이드를 이용하여 hrsACE2가 SARS-CoV-2에 결합되어 Vero세포에 침투하는 것을 1000~5000배 감소시켜 초기 감염을 크게 차단할 수 있음을 테스트하였다 [55].

그림 8. SARS-CoV-2 감염 혈관 오가노이드 모델 [55]

2.3. 오가노이드를 이용한 감염질환 연구 동향

2.3.1. 글로벌 변화 시대의 감염질환의 중요성 증가

전 세계적 감염질환 발생 위험 증가
21세기에는 다양한 감염질환이 발생하면서 인류의 건강과 생존에 큰 영향을 끼쳤다. 특히 COVID-19의 급격한 확산은 전 세계적으로 사회, 경제, 의료 시스템에 심각한 도전을 안겨주었다. 이전에도, 2003년 중증 급성 호흡기 증후군 코로나바이러스(Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus SARS-CoV), 2009년 신종플루(Novel Swine-origin Influenza A, H1N1), 2012년 중동 호흡기 증후군 코로나바이러스(Middle East Respiratory Syndrome Coronavirus, MERS-CoV), 2013~2016년 서아프리카의 에볼라바이러스(Ebolavirus), 2015년 ZIKV 감염질환 모두 높은 질병률과 사망률을 초래했다 [59, 60].

감염질환의 발생은 새로운 바이러스나 박테리아뿐만 아니라 기생충 및 곰팡이, 기존 병원균의 변이나 내성 증가 등의 이유로도 발생할 수 있다. 이는 매년 전 세계적으로 1000만 명 이상의 사망을 초래하며, 전체 사망자 수의 5분의 1을 차지한다 [61]. 특히 호흡기 감염, 설사성 질환, 결핵, 인간 면역결핍바이러스(Human Immunodeficiency Virus, HIV), 후천성면역결핍증(Acquired Immune Deficiency Syndrome, AIDS), 말라리아(Malaria) 및 샤가스병(Chagas Disease)은 사망에 이르게 하는 감염질환으로 알려져 있다 [62]. 뿐만 아니라 COVID-19와 같은 신종 감염질환, 메티실린 내성 황색포도상구균(Methicillin-resistant Staphylococcus Aureus, MRSA) 등의 항생제 내성 박테리아는 위협적이다. 이러한 감염질환은 기후 변화, 인구 이동, 국제 거래 등의 글로벌화된 요인들로 인해 더욱 쉽게 전파되고 확산된다. 이로 인해, 백신 및 치료제 등의 대응 방안 마련이 시급하다 [59, 60].

기술 변화, 인구통계학적 변화, 기후 변화로 인해 감염질환의 위험성 증가
글로벌 변화를 이끈 기술발전으로 인해, 항공 항공편은 2000년 이후 두 배로 늘어났고, 2007년 이후에는 농촌보다 도시에 더 많은 사람들이 살고 있으며, 인구수는 계속해서 증가하고 또한 기후 변화도 발생했다. 이러한 상황에서 감염질환은 국경을 넘어 여러 국가로 확산되고, 인간의 건강은 동물 및 환경과 긴밀하게 연결되어 있기 때문에 감염질환의 출현과 감소를 예측하기가 매우 어렵다. 전 세계적으로 개선된 위생 및 높은 의료 서비스 접근성이 이루어졌음에도 불구하고, 지속적으로 발생하는 글로벌 변화로 인해 감염질환 발생 위험은 증가하고 있다 [59].

2.3.2. 감염질환 진단 및 치료시장 확대

감염질환 진단 글로벌 시장
Precedence Research가 발표한 보고서에 의하면 세계 감염질환 진단 시장 규모는 매출 기준 2022년 286억 5천만 달러에 달했고, 2023년부터 2032년까지 예측 기간 동안 연평균 복합 성장률(Compound Annual Growth Rate, CAGR)은 7.05%로 성장해, 2032년에는 약 566억 2천만 달러에 달할 것으로 예상된다 [63].

제품 및 서비스 측면(분석 및 시약, 기기, 소프트웨어)에서 시약, 키트 및 소모품, 질환 유형 측면(간염, HIV, 결핵, 독감, 매독, 모기 매개 등)에서 간염, 지역 측면(북미, 유럽, 아시아 태평양, 라틴 아메리카, 중동 및 아프리카)에서 북미가 2022년 감염질환 진단 산업에서 가장 큰 비중을 차지하였다.

그림 9. 감염질환 진단 글로벌 시장 규모 예측(2022-2032) 및 제품 및 서비스 측면 지수(2022) [63]

감염질환 치료제 글로벌 시장
Precedence Research가 발표한 보고서에 의하면 세계 감염질환 치료제 시장 규모는 매출 기준 2022년 1,150억 달러에 달했고, 2023~2032년 예측 기간 동안 CAGR은 3.7%로 성장해, 2032년에는 약 1,645억 8,000만 달러에 이를 것으로 예상된다 [64].

치료 방식 측면(백신, 약물)에서 약물, 표적 유기체 측면(바이러스, 기생충, 곰팡이, 박테리아)에서 항균제, 질환 유형 측면(바이러스, 기생충, 곰팡이, 박테리아)에서 박테리아, 지역 측면(북미, 유럽, 아시아 태평양, 라틴 아메리카, 중동 및 아프리카)에서 북미가 2022년 감염질환 진단 산업에서 가장 큰 비중을 차지하는 것으로 예측되었다.

그림 10. 감염질환 치료제 글로벌 시장 규모 예측 지수(2022-2032) [64]

2.3.3. 감염질환 모사 오가노이드 필요성

감염 질환 모사 오가노이드 필요성 증가
COVID-19 팬데믹을 겪으며 감염질환을 전 세계적 위험 요인으로 재평가하였고, 기존의 약물 개발 시설을 개선할 것을 촉구하였다. 계속되는 감염질환 유발 병원체의 존재는 질환 발생 및 진행의 기본 메커니즘에 대한 이해와 백신 및 치료제 공급의 필요성을 증가시킨다.

감염질환 발병 및 메커니즘에 관한 연구는 병원체의 복잡한 배양조건으로 인해 어려움을 겪는다. 숙주에 대한 특이성으로 인해 사람이 아닌 실험동물에는 병원체의 감염이 일어나지 않거나 2차원으로 배양된 세포주와는 상호작용하지 않는 경우가 적지 않다. 때문에 동물 및 2차원 세포배양 모델은 적절한 시간 내에 병원체 모델링이나 약물 테스트에서 신뢰할 수 있는 결과를 보장하지 못한다 [65, 66]. 따라서 이러한 문제를 해결할 수 있는 장기 오가노이드 플랫폼에 대한 관심이 높아지고 있다.

장기 오가노이드 모델은 다양한 세포 유형으로 구성된 3차원 구조로, 인간 조직 고유의 생리학적, 병리학적 과정을 재현할 수 있다 [67]. 세포가 특정 조건하에서 자가재생, 분화, 자가 조직화의 단계를 거치며 패턴화, 재배열되어 인간 장기와 유사한 구조 및 기능을 가지게 되는 것이다 [1, 2]. 따라서 장기 오가노이드 모델은 2차원 구조의 단층 세포 배양보다 복잡하며 조직과 유사한 구조를 가진다. 동물 모델처럼 전체 생물체를 모델링할 수는 없지만, 장기 오가노이드는 인간 특이적이며, 동물을 사용하는 윤리적 문제와 과도한 시간, 비용 소모와 같은 문제들을 해결할 수 있을 것으로 주목받고 있다.

바이러스 감염질환 모델로서의 오가노이드 연구 동향
감염 모델로서의 오가노이드는 감염 연구, 약물 스크리닝을 위한 모델 시스템으로 이용된다. 이는 병원체의 생물학 및 약물 스크리닝에 대한 빠르고 신뢰할 수 있는 정보를 제공할 수 있으므로 새로운 감염 질환을 치료하기 위한 연구개발 과정에 필수적이다 [68]. 감염질환 오가노이드 모델은 주로 세 가지 유형으로, 바이러스, 박테리아 및 원생생물에 의해 발생하는 감염질환을 모델링하지만 [69] 현재는 주로 바이러스에 의한 감염 모델 연구가 활발하다. 아래 표와 같이 다양한 바이러스에 따른 감염 모델에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.

표 11. 바이러스 별 감염질환 모사 동향 [69]

4. 결론

오가노이드의 유용성과 재현성 확보의 필요성
다양한 인체 내 장기 및 구조를 체외에서 모사하는 오가노이드는 신약개발 및 정밀의학 분야에 활용도가 매우 높다. 하지만 오가노이드의 활용은 기술적이고 윤리적인 제약이 여전히 존재한다. 제작 과정과 사용되는 세포외기질의 다양성으로 인해 발생 양상이 다를 수 있기 때문이다. 또한, 성장 인자 및 세포 사멸 억제제와 같은 배양액 성분은 유전자 발현 및 세포 신호 전달 경로에 영향을 미칠 수 있어 재현성의 문제가 발생할 수 있다. 또한, 오가노이드는 생체 내 환경(In-vivo)과 다르게 인위적으로 제어되므로 주변 환경의 영향을 받을 수 있다. 이러한 이유로 실험실 내나 실험실 간의 오가노이드 배양에 대한 재현성을 확보하는 것이 오가노이드 모델의 상용화에 반드시 필요하다.

또한, 오가노이드는 임상 시험부터 맞춤형 의료까지 다양한 분야에서 유용하게 사용될 수 있지만, 윤리적인 고려 사항도 있다. 줄기세포 모델은 생명의 시작으로 인식되는 ESC를 이용하므로 많은 윤리적 논란이 있다. 따라서 이에 대한 대안으로 iPSC가 연구되고 있다 [89]. 또한, 체외 수정으로 생성된 배아를 장기 기증으로 볼 수 있어, 체세포 핵 이식 방법(Somatic Cell Nuclear Transfer, SCNT)을 이용한 오가노이드 모델이 제시되고 있다.

감염질환 오가노이드 전망
최근 많은 연구에서 오가노이드는 병원체 생물학 연구와 약물 스크리닝에서 빠르고 신뢰할 수 있는 결과를 보여준다. 특히, SARS-CoV-2 감염에 있어, 중요한 도구로 사용되었으며, 최근 연구들에서는 표적 조직과 진입 메커니즘을 밝히고 치료제를 검증하는데 활용되고 있다. 하지만 감염질환 오가노이드 기술을 더 효율적으로 활용하고 보급하기 위해서는 여전히 개선이 필요하다. 현재까지 오가노이드는 주로 바이러스를 연구하고 항바이러스제를 테스트하는 모델로 사용되어 왔다. 하지만, 최근 바이오프린팅 및 미세유체 기술을 활용하여 3차원 세포배양 모델을 제작할 수 있게 되어 세균 감염 모델링 연구 또한 가능해졌다 [90]. 따라서, 감염질환 치료 회사들은 세포 샘플을 분류하고 프로그래밍된 기능에 따라 결합하여 병원체를 접종할 수 있는 새로운 감염질환 오가노이드 모델을 제공할 수 있게 될 것이다. 결론적으로, 오가노이드는 병원체 생물학 연구와 약물 스크리닝 분야에서 중요한 도구로 앞으로의 연구에서는 더 복잡한 조직 구조와 다양한 병원체를 포함하는 모델 시스템의 개발이 예상되며, 이는 신약 개발 및 정밀의료 연구에 좋은 도구로 사용될 것으로 보인다.

5. 참고문헌

==>첨부파일(PDF) 참조