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사람의 발생과 질병에 대한 생체 외 모델로서 오가노이드(Organoid)
사람의 발생과 질병에 대한 생체 외 모델로서 오가노이드(Organoid) 저자 이재원 (서울대학교 의과대학 의과학과)
등록일 2017.10.12
자료번호 BRIC VIEW 2017-R30
조회 9167  인쇄하기 주소복사 트위터 공유 페이스북 공유 
요약문
생체 외(in vitro) 오가노이드(organoid) 모델은 이미 다양한 기초 생물학과 임상 적용 분야에 필수적인 도구로 확립된, 과학 기술에 있어서 중대한 발견이다. 이러한 생리학적으로 유사한(near-physiological) 3차원 모델은 조직 재생, 줄기세포와 주변미세환경의 기능(niche functions)과 약물에 대한 조직 반응을 포함하는 다양한 생체 내(in vivo) 생물학적 연구에 이용된다. 본 리뷰논문에서는 지금까지의 성과 및 도전과제들과 이 기술의 적용 가능성에 대해 다룰 것이다.
키워드: 내배엽(Endoderm), 리모델링(Reprogramming), 줄기세포 분화(Stem-cell differentiation)
분야: Genomics, Cell_Biology
본 자료는 Organoids as an in vitro model of human development and disease. Nature Cell biology 18, 246–254 (2016)의 논문을 한글로 번역, 요약한 자료입니다.

목차

1. 서론
2. 오가노이드의 역사
3. 오가노이드의 종류
  3.1 1차 조직으로부터 만든 오가노이드(organoid from primary tissues)
  3.2 ESC와 iPSC로부터 만든 오가노이드(organoid from ESCs and iPSCs)
4. 오가노이드 기술의 응용
  4.1 조직 발생과 질병 연구 분야에서의 오가노이드
  4.2 치료제와 약물 개발 분야에서의 가능성
  4.3 오가노이드와 재생의학(regenerative medicine)
5. 앞으로의 전망과 미래 가능성


1. 서론

인간 줄기세포의 임상 적용은 여러 계통으로 분화 가능한(multi-lineage potential) 성체 줄기세포의 지속적인 배양과 증식이 어려워 오랫동안 제자리걸음을 하고 있다. 그러나 줄기세포의 주변미세환경(niche)과 유지/분화 조절에 중요한 신호 조절자의 역할에 대한 지식이 증가하면서, 줄기 세포로 만들어진 생리적으로 유사하고(near-physiological) 자가재생(self-renewal)이 가능한 조직, ‘오가노이드’라는 새로운 3차원 생체 외 배양 기술의 개발이 가능하게 되었다. '오가노이드'라는 용어는 역사적으로, 1차 조직(primary tissue, 조직 하위단위 또는 단일세포), 배아 줄기세포(ESC) 및 유도만능줄기세포(iPSC), 세포주(cell line), 그리고 여러 조직 유형들로 구성된 장기 외식편(explant)과 같은 전체 또는 분절된 기관에서 비롯된 모든 3차원 기관형 배양체(organotypic culture)를 포함하여 일컫는 용어였다. 본 리뷰에서는 ‘오가노이드’를 1차 조직, ESC 또는 iPSC에서 파생되어 나온 것만으로 한정하며, 자가재생과 자가조직화(self-organization)가 가능하며 본래 조직과 같은 기능을 하는 생체 외 3차원 세포 클러스터(3D cellular cluster)로 정의한다. 대부분의 오가노이드 조직은 생체 내 조직에 있는 간충직세포, 기질세포, 면역세포, 신경세포들을 포함하고 있지 않기 때문에, 인체 조직의 구조와 유사하게 만들기 위해 인공적인 세포외기질(ECM)를 사용한다.

학계 및 산업계 전반에 걸쳐 광범위하게 이용되고 있는 오가노이드 기반 기술은 기초 및 응용(translational) 연구 모두에 사용할 수 있는 생리적으로 유사한 모델로서 입증되었다. 전통적인 체외 배양(in vitro culture)과는 달리, 오가노이드는 구성과 구조면에서 1차 조직과 유사하다. 이 오가노이드가 포함하고 있는 줄기세포는 유전적으로 안정하고 자가재생이 가능하며, 실제 조직의 줄기세포와 유사한 횟수로 분화할 수 있다. 또 다른 장점으로, 오가노이드는 무제한으로 증식 할 수 있고 바이오뱅크(biobank)로 동결보존할 수 있으며, 전통적인 2D 단층 배양법과 유사한 기술을 사용하여 쉽게 조작할 수 있다는 것이다. 마지막으로, 1차 조직 유래 오가노이드에는 간충직/기질세포가 없기 때문에 국소 미세환경으로부터 받는 영향을 제거할 수 있다. 오가노이드는 2D 단층 배양 모델보다 생리학적으로 비슷하고, 생체 내 모델보다 주변미세환경 구성요소(niche component), 신호 전달 경로 및 유전체 조작에 훨씬 더 간편하기 때문에 전통적인 2D 배양과 생체 내 마우스/인간 모델 사이의 중요한 다리 역할을 할 수 있다(표 1).

본 리뷰에서는, ESC, iPSC, 1차 조직으로 만든 마우스/인간의 오가노이드 기술의 발전 상황에 대해 논의한다. 우리는 오가노이드가 가진 인간 발생과 질병을 이해하기 위한 모델로서의 가치와, 임상 적용 가능성 등을 비판적으로 살펴보고, 앞으로 해결해야 할 핵심 과제에 대해서도 논할 것이다.

2. 오가노이드의 역사

연구자들은 오래전부터 포유동물의 세포가 가진 자가조직화 능력(self-organizing capacity)을 3차원 세포배양에 이용해 왔다. 2009년 개발된 창자(intestine) 오가노이드 시스템의 개발은 줄기세포 분야의 가장 획기적인 기술적 발전이다. 이전 시스템과는 달리, 이 방법은 내인성(endogeneous) 창자 줄기세포의 주변미세환경 구성요소(niche component)에 대한 지식을 활용하여, Lgr5+ 줄기세포 또는 소낭선(crypt)으로부터 추출한 상피 세포의 성장을 오랜 시간 유지할 수 있는 안정적인 배양 시스템을 제공했다. 배양 시스템은 놀라울 정도로 간단했다. 메트리겔(Matrigel)을 세포외기질(ECM) 대신 사용하고 줄기세포의 주변미세환경 신호(niche signal)를 구성하는 성장 인자를 보충하여 사용하였다. 예를 들면, WNT (Frizzled/LRP 리간드), 줄기세포를 확장시키는 Noggin (BMP 저해제), 줄기세포 집단(population)을 유지시키는 WNT 길항제인 R-spondin (LGR4/5 리간드), 세포증식을 촉진하는 EGF (EGFR 리간드) 등이 포함되었다. 이 배양 시스템은 일반적으로 ‘R-spondin 방법‘으로 불린다. 이 방법은 중앙 내강(central lumen)과 경계를 형성하고 있는 소낭선(crypt-like) 및 융모(villus-like)-유사 도메인을 가진 3차원 구조를 만드는 데 사용되었다. 특히, 이 오가노이드는 조직의 구조를 충실하게 재현했을 뿐만 아니라, 줄기세포와 전구세포(progenitor) 및 분화된 세포 유형 전체를 포함하고 있다. 이 시스템으로 창자(intestine) 오가노이드 외에, Lgr5+ 줄기세포를 포함하는 대장(colon), 위장(stomach) 및 간(liver) 오가노이드를 형성할 수 있게 되었다.

3. 오가노이드의 종류

3.1 1차 조직으로부터 만든 오가노이드(organoid from primary tissues)

혀에서 결장에 이르기까지, 마우스 위장관(gastrointestinal tract)의 많은 부위에서 오가노이드를 성공적으로 형성하였다. 성체 줄기세포 마커인 Bmi1을 발현하는 세포를 이용해서 구형의 혀 오가노이드를 생성하였다. 이 오가노이드는 다층의 각화성 상피(keratinized epithelium)와 각질층(stratum corneum)으로 이뤄져 있다. 최근에, 다른 성체 줄기세포 마커인 Lgr5 또는 Lgr6을 발현하는 단일 세포(single cell)로 혀의 미뢰 오가노이드를 성공적으로 형성하였다. 다른 연구에서는 메트리젤과 콜라겐이 혼합된 배지에서 배양한 인체 침샘 세포로 담관(duct)과 소엽형(lobule) 침샘 오가노이드를 생성시켰다. 식도 오가노이드 배양시, R-spondin 배지에 가스트린(Gastrin)을 첨가하면, 식도 상피세포의 자가-재생(self-renewal)에 관여하는 세포를 확인할 수 있는 오가노이드를 만들 수 있었다. 유문(pylorus)과 몸통(corpus)에서 유래한 위장(gastric) 오가노이드는 R-spondin 기반 배양 방법을 변형하여 성장시킬 수 있다. 유문세포를 배양할 때는 WNT3A와 FGF10를 제거해주어야 하고, 몸통 세포를 배양할 때는 WNT3A, FGF10, Noggin를 제거해 주어야 한다.

다른 위장관 상피 기관(gastrointestinal epithelial organ)에서 오가노이드를 형성하기 위해서는 각 조직에 분포하는 줄기세포 집단과 그 분화된 세포에 대하여, 계통 분화순응 요소(lineage commitment factor)와 주변 미세환경 조건(niche requirement)을 반영하여 배양방법을 좀 더 조직-특이적으로 수정해야 한다. WNT와 Notch 신호체계를 조절하는 다양한 조절인자(modulator)를 추가하면, 줄기세포 집단(population)을 증식시키고 유지하는데 도움이 된다. 특히, 최근에는 성인의 간과 췌장으로부터 만든 오가노이드를 오랜 시간 키울 수 있는 기술이 개발되었다. 손상된 담관과 랑게르한스섬(islet)의 형성과 재생에 관여하는 경로를 다시 활성 시킴으로써 성체 줄기세포의 종류(pool)를 확인 가능하다. 간의 담관 조각(liver bile duct fragments)을 메트리겔에서 EGF, R-spondin, HGF(간세포 성장 인자), FGF10 및 니코틴아미드(nicotin amide)를 공급하여 배양하면 낭포성 오가노이드(cystic organoid)가 생성되었다. 이러한 오가노이드는 담관(biliary duct) 마커를 발현하는 세포를 포함하고 있는데, 이 세포의 Notch 및 TGF-β 신호 전달 경로를 억제하면 간세포 계통으로 분화될 수 있다. 췌장관(pancreatic duct) 조직을 EGF, R-spondin, FGF10과 니코틴아미드를 첨가하여 배양하면 포낭이 자라나는 모양(budding cyst-like)의 오가노이드가 생성되었다. 샘꽈리 세포(acinar cells)에서 유래한 오가노이드는 작고 수명이 짧은 반면, 내분비 세포(endocrine cell)로부터 유래된 오가노이드는 30일 동안 생존할 수 있지만 증식이 되지 않았다. 중요한 점은, 신장을 감싸고 있는 피막 안에 이식한 췌장 오가노이드는 담관, 내분비세포, 샘꽈리 세포를 포함하는 췌장 조직을 형성하였고, 이것은 성인 담관에 존재하는 췌장 줄기세포로 조직을 생성할 수 있는 가능성을 보여 준다는 것이다.

태아의 조직을 이용해서도 오가노이드를 생성 가능하다. 폐 오가노이드는 분지형(branching)과 소낭모양(sacculation-like)의 구조를 보이는 마우스 배아 폐세포에서 VEGF(혈관 내피세포 성장인자), SHH(소닉 헤지호그, sonic hedgehog), FGF의 신호경로를 조절함으로써 형성할 수 있다. 이 과정은 인체의 폐 발달과정과 매우 유사하므로, 폐 오가노이드는 폐의 발생 연구에 중요한 도구를 제공한다.

임상적으로 가장 중요한 과제는 아마도 생체 밖에서 오랜 시간 성장과 증식을 유지할 수 있는 배양 시스템을 개발하는 것이다. 2011년, Gastrin, FGF10, TGF-β, MAP 키나아제 저해제, 니코틴아미드를 첨가한 마우스 R-spondin 배양 시스템에서 식도, 창자(intestine), 대장(colon)의 상피세포로부터 유래된 첫 번째 사람 오가노이드가 형성되었고, 다른 여러 그룹에서도 비슷한 사례들을 보고하였다. 이제 Gastrin의 농도를 다양화하고 TGF-β 신호 억제제를 첨가함으로써 사람의 위장 조직에서 오가노이드를 배양하는 것이 가능하다. 또한, 사람의 간 오가노이드는 건강한 사람의 생체 시료를 사용해 성공적으로 배양되었다. 이 오가노이드에는 배양조건에 따라 두 가지 방향으로 분화 가능한 줄기세포(bi-potent stem cell)를 포함하고 있다. 이 세포는 표준 배양 조건에서는 담관 상피세포(ductal epithelia)만 생성하고, Notch 억제제, FGF19, BMP7 및 덱사메타손(dexamethasone)을 첨가한 배지에서는 성숙한 간세포를 생산할 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 놀랍게도, 이 오가노이드를 급성 간 손상이 있는 마우스에 이식하였더니 간 기능을 정상적으로 회복하였다. Boj 와 그 동료들은 WNT 경로 활성제와 TGF-β 경로 억제제를 함께 사용하여, 최대 6개월까지 유지 가능하고 냉동 보관할 수 있는 인간 췌장 오가노이드 배양에 성공했다고 보고했다. 또한 BMP 수용체 억제제를 첨가한 배지를 사용하여 마우스 및 사람의 전립선 상피세포 오가노이드를 증식시키는 데 성공했다. 이 오가노이드는 기저면(바깥쪽)과 루멘(안쪽) 계통으로 모두 분화 가능한 전구세포(bi-potent progenitor cells)를 포함하고 있다. 기저세포와 루멘세포 계통으로 이루어져 있는 사람 전립선 오가노이드는 하나의 기저세포나 루멘세포로부터 생성될 수 있다. 더욱이, 종양 생체시료(tumour biopsy)와 순환성 종양세포(circulating tumour cell)를 사용하여 인체 종양 조직의 특성을 반영하는 오가노이드를 생성할 수 있다.

3.2 ESC와 iPSC로부터 만든 오가노이드(organoid from ESCs and iPSCs)

마우스나 사람의 ESC 또는 iPSC를 오가노이드 생성에 이용할 수 있으므로, 얻기 힘든 고품질의 사람 시료를 구해야 하는 수고를 덜 수 있게 되었다. 하지만 직접적인 세포 분화를 수행하기 위해서는 배엽(germ layer)과 그 분화 세포의 계통 특이성에 관련된 상세한 지식이 필요하다. 체세포가 OCT4, KLF4, SOX2 및 MYC의 발현을 통해 iPSC로 먼저 변환되어야 하기 때문에, ESC와 달리 추가 단계가 필요하다. 체세포의 iPSC 전환 후, ESC와 iPSC를 배엽 및 조직-특이적 인자에 노출시키고, 메트리겔 안에 넣고 분화인자를 처리하면 원하는 오가노이드를 생성할 수 있다.

내배엽 조직의 경우, ESC와 iPSC의 TGF-β 신호 전달이 자극되어 최종적인 내배엽을 형성한 다음, 배양 조건에 따라 배아의 장의 관련 부분으로 분화된다. 창자 오가노이드를 생성하기 위하여, FGF4와 WNT3A를 사람 ESC와 iPSC의 내배엽 세포에 처리하여 뒷창자(hindgut)와 창자(intestine)로의 분화를 촉진하였다. 반면에 다른 연구팀에서는 섬유아세포-조건화 배지(fibroblast-conditioned media)에 마우스와 사람의 ESC를 키워 외인성(exogenous) WNT3A를 처리하여 최종 내배엽을 배양했다. 최근 Noguchi 등은 위의 몸통(corpus)과 날문방(antrum)에서 발견되는 성숙한 위세포의 특징을 재현하는 위장 오가노이드 배양체를 생성하기 위해 마우스 ESC를 사용했다. 저자들은 Barx1 발현을 유도하고 소닉 헤지혹(SHH)와 WNT 신호 전달 경로를 조작하여 최종적인 내배엽을 앞창자로 분화시켰고, 마침내 펩시노젠 c와 위산을 분비할 수 있는 생리적으로 유사하고 기본 연동 수축을 구사하는 위 오가노이드를 만들어냈다. 이와는 대조적으로, 사람 ESC와 iPSC을 사용하여 FGF, WNT, BMP, 레티노산 및 EGF 신호 전달 경로를 조작함으로써 위 오가노이드를 생성하려 했던 시도는 앞쪽 위장의 내분비샘(gland), 위오목(pit), 목(neck) 부위의 세포 유형만 재현되었고, 몸통(corpus) 세포 계통은 재현되지 않았다. 간 기능이 정상적이고 혈관이 발달된 조직을 생성하기 위하여, 이식을 하기 전에 내피세포와 중간엽 세포를 포함하는 iPSC 유래의 간싹(liver bud)을 단기간 배양한 사례도 보고되었다. 최근에, 인간 iPSC 유래의 기능성 담관세포 오가노이드 또한 Activin A와 Notch 신호 전달 경로의 조절에 의해 생성되었다. 폐의 경우, 인간 ESC 유래의 내배엽에 헤지혹(Hedgehog) 경로 촉진제를 첨가하여 앞창자 내배엽으로의 분화 순응도(commitment)를 높이고 분지형성(branching morphogenesis) 중에 관찰되는 폐의 근위부(proximal)와 원위부(distal) 모두의 마커를 표현하는 구형 상피 오가노이드를 구현했다. 하지만 태아 조직으로부터 유래된 오가노이드와는 다르게, 이 오가노이드에서는 실제 분지형성은 관찰되지 않았다.

외배엽 유래 오가노이드에서, ESC와 iPSC는 배아체(Embryoid body, EB) 유사 응집체를 형성하도록 유도되고, 외배엽으로 분화된 후 신경 또는 비신경의 운명으로 나누어지도록 지시된다. 마우스 ESC는 망막 색소와 배아 눈술잔(optic cup) 구조와 유사한 부위-특이적인 망막 오가노이드 배양체를 생성하기 위해 ECM 구성성분과 함께 사용되었다. 또한 마우스 ESC, 사람 ESC, 사람 iPSC를 사용한 뇌 오가노이드 배양을 위하여, 서로 완전히 다르지만 서로 관련 있는 두 가지 방법이 개발되었다. Eiraku 등에 의해 개발된 SFEBq (serum-free culture of embryoid body-like aggregates, quick) 방법은 끝뇌(telencephalon)를 연상시키는 오가노이드를 생성시켰고, Lancaster 등은 회전 바이오리액터(bioreactor)를 사용하여 뇌의 여러 부위를 연상시키는 대뇌 오가노이드를 생산하였다. 이 두 가지 방법에는 서로 다른 점이 있지만, 두 방법으로부터 유래된 뇌 오가노이드는 모두 명확한 피질과 뇌 발달 초기 단계의 특징인 전구세포 영역(progeniter zone)을 존재하며, 전기적 흥분이 가능하고 완전한 기능을 하는 뉴런을 포함하고 있다. 뇌 오가노이드는 인간 두뇌의 발달 과정 동안 일어나는 복잡한 과정을 연구하기 위한 in vitro 모델로 가치가 있다. 또한, 마우스 ESC의 BMP, FGF 및 TGF-β 신호 전달 경로를 조작함으로써, 감각세포 전구체와 기계적 자극에 반응하는 유모 세포(hair cells)를 포함하는 비신경 외배엽(non-neural ectoderm)의 내이 오가노이드(inner ear organoids)를 유도하였다.

최근에 중배엽에서 유래된 최초의 오가노이드가 보고되었다. 사람의 iPSC에서 GSK3β 및 FGF 신호 전달 경로를 조절하여 신장 오가노이드(renal organoid)를 생산하였다. 이 오가노이드는 인간 태아 네프론(nephron, 신장단위)에 있는 도관, 세관 및 사구체의 형태와 세분화된 구조를 재현하고 있다. 사람의 신장 오가노이드는 인간 신장 발달 및 관련 질병을 연구하기 위한 3차원 모델을 제공하여, 이전 모델(2차원 단층 모델, 짧은 시간만 반응하는 3차원 응집체, 마우스 섬유아세포와 공동 배양)의 한계를 극복할 수 있다.

ESC나 iPSC에서 유래한 오가노이드에는 의도하지 않은 세포 유형이 있다는 점에서 인체 조직(primary tissue)에서 유래한 오가노이드와 차이가 있다. 이는 ESC나 iPSC를 분화시킬 때 사용되는 요소가 세포를 원하는 계통으로만 분화시키기에 완벽하지 않기 때문이다. 그래서 장, 위, 신장을 포함하는 많은 외배엽과 내배엽 오가노이드에 있는 간충직 세포의 종류가 제한적이다.

놀라운 기술적 진보에도 불구하고, 여전히 오가노이드 배양이 어려운 조직이 있지만 전체 조직 외식편(whole-tissue explant) 또는 기관형배양(organotypic)/특수한 배양용기를 사용한 배양법(mechanically supported culture)으로 3차원 배양에 성공하였다. 줄기세포 주변 미세환경(niche)과 조직에서 계통 특이성(lineage specification)을 제어하는 신호 전달 경로를 이해하는 것이 성공적인 오가노이드 배양의 핵심이다. 이러한 측면에서 볼 때, 특정 조직의 주변 미세환경에 대한 부족한 지식 때문에 오가노이드 생성을 위한 요소를 설계하기에 어려움이 많다. 줄기세포를 파악하는 것은 조직을 배양하는데 중요하지 않다고 주장할 수도 있지만, 줄기세포 주변 미세환경(niche)을 이해하는 것은 배양을 유지시키고 무제한적으로 증식시키기 위해서 매우 중요하다. 이에 대한 가능한 해결책은 난소 같은 장기로부터, 주요 신호전달 경로의 조절분자(small-molecule modulator)와 장기-특이적인 호르몬(organ-specific hormones)을 스크리닝해서 오가노이드의 성장을 도와줄 배양 성분을 찾아내는 것이다. 오가노이드 배양을 복잡하게 만드는 또 다른 요소는 줄기세포 재생 및 계통 특이성을 유지하기 위하여 성장 인자/신호전달 물질의 농도 구배에 많이 의존하고 있다는 점을 들 수 있다. 이 문제는 미세유체기술(microfluidic technologies)을 통해 생체 내 환경과 좀 더 비슷한 농도 구배를 만듦으로써 해결할 수 있다. 마지막으로, 생체 내에서 줄기세포의 행동과 세포의 분화는 세포외기질(ECM)과 상호작용에 의해 생기는 국소적인 생체역학적 힘(local biomechanical forces)에 의해 크게 영향을 받는다. 그런데 세포외기질(ECM)은 시험관에서 재현하기 어렵다. 현재 세포의 행동을 조절하는 기질(substrate)과 ECM 인자에 대한 선별 검사가 진행 중에 있다. 이를 통해 보다 다양한 종류의 조직의 오가노이드 배양 모델을 제작할 수 있기를 희망한다(표 1).

표 1. 오가노이드 기술의 장점, 오가노이드 배양기술이 직면하고 있는 한계점 및 가능성 있는 해결책
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4. 오가노이드 기술의 응용

생리학적으로 비슷하게 스스로 재생되는 오가노이드를 배지에서 키울 수 있는 기술은 여러 가지 기초 연구 및 응용 분야를 위한 훌륭한 모델 시스템을 제공한다. 이 시스템의 중요한 장점은 생체 검사시료로 얻은 매우 적은 양의 조직-특이적 줄기 세포와 그 분화한 세포를 증식시킬 수 있는 능력이다. 이것을 통해 줄기 세포 행동, 약물 스크리닝, 질병 모델링 및 유전자 스크리닝에 대한 심층 분석에 이용할 수 있다. 실제로, 창자 오가노이드는 줄기세포의 행동 분석, 주변 미세환경의 구성요소(niche component) 분석, 병원체-상피세포 상호 작용 모델링, 유전자 편집, 질병 모델링 및 동소 이식(orthotopic transplantation) 등 이미 광범위하게 사용되고 있다. 이러한 성공을 발판 삼아 전 세계의 연구자들이 접근 가능하도록 사람의 오가노이드를 냉동 보존할 수 있는 바이오뱅크를 만드는 데 노력을 기울이고 있다.

4.1 조직 발생과 질병 연구 분야에서의 오가노이드

오가노이드 시스템은 연구자들이 배아 발달, 계통 특이성(lineage specification) 및 항상성, 질병의 발병 및 발현을 조절하는 과정을 집중적으로 연구할 수 있는 도구를 제공한다. 체계적으로 세포의 분화가 유도되기 때문에 ESC, iPSC 및 태아 조직에서 생성된 오가노이드는 발달 단계의 특징을 잘 유지하고 있고, 손쉽게 배아 발달 단계의 자세한 스냅샷을 얻을 수 있다. 또한 줄기세포의 발달과 그 주변 미세환경(niche)에 대한 귀중한 통찰력을 제공하며, 기능적으로 성숙되는 분화 과정을 모니터할 수 있는 기회를 제공한다. 예를 들어, 태아 폐 오가노이드는 내피세포 형성에 필수적인 외인성 FGF와 내피세포 형성을 억제하는 VEGF-A 경로 사이의 상호 작용과 상피 및 내피 형태형성을 유도하는 SHH 경로와의 작용을 밝히는데 사용되고 있다. 이와 비슷하게, iPSC와 ESC가 오가노이드로 분화되는 과정을 단계적으로 살펴봄으로써 위장, 뇌, 췌장과 같은 조직의 발생을 연구하는 것이 가능하다. 이것은 WNT, BMP 및 FGF와 같은 신호 전달 경로를 조절함으로써 가능하고, 궁극적으로 조직을 형성하는 신호 전달 네트워크를 알아낼 수 있다. 오가노이드의 자가재생 능력 덕분에, 유전자 발현 프로파일링에 대한 연구 또는 매우 수가 적은 세포의 계통 분석을 위한 제한된 양의 출발 물질로부터의 세포 증식이 가능하다.

또 다른 오가노이드의 적용 가능성은 숙주와 미생물의 상호작용 모델이다. 인체의 위염 및 위암의 발병 원인균으로 알려져 있는 헬리코박터 파일로리(Helicobacter pylori)는 사람의 위장 오가노이드의 내강 상피세포(luminal epithelia)를 효과적으로 집락화하여, 발암성(oncogenic) CagA 및 베타 카테닌(β-catenin)의 신호 증가로 인한 세포 증식 증가를 비롯한 주요 생리학적 변화를 일으키는 것으로 나타났다. 또한, 몇몇 3차원 조직 모델은 시가 독소(shiga-toxin) 생성 Escherichia coli에 의한 용혈성 요독 증후군(haemolytic uremic syndrome)과 같은 미생물 병인 연구에 적용되었다. 신장 오가노이드는 박테리아에 의해 집락화된 세포와 그로 인해 나타나는 증상을 연구할 창을 제공할 수 있다. 더 많은 기관(organ)을 오가노이드 배양에 적용하는 것이 가능해지면서, 박테리아 및 바이러스 감염과 발현에 대한 연구를 통해 병원성 기전에 대한 더 깊은 이해가 가능하게 되고, 결국 더 나은 치료 전략으로 이어질 것이다.

또 다른 연구에서는 조직 생리 및 종양 발생에서 후보 유전자의 기능을 직접 평가하기 위해 건강한 오가노이드에 CRISPR/Cas9 유전자 편집 기술을 사용했다. 이러한 접근을 통하여 유전자 변이를 건강한 사람의 대장(colon) 오가노이드에 도입시켜 이식하면, 생체 내에서 암을 형성시킬 수 있는 암 오가노이드(cancer organoids)로 변환시킬 수 있다. 마우스 오가노이드는 인간 질병을 정확하게 재현해 내어, 췌장 종양에서 발암성 Kras의 역할을 모델링하는데 사용되었다. 저자들은 마우스 오가노이드의 유전자 발현과 단백질 프로파일링을 정상/발암성 Kras와 비교함으로써, 선암(adenocarcinoma) 진행에 중요한 신호 경로와 유전자를 밝혀냈다.

두뇌 발달에 영향을 미치는 질병을 포함하여, 몇몇 질환은 동물 모델링이 매우 어렵다. 따라서 환자로부터 얻은 조직과 iPSC에서 형성된 오가노이드가 이러한 질병의 병리를 밝힐 수 있는 대안이 될 수 있다. 예를 들면, CDK5RAP2 유전자의 기능상실 돌연변이(loss-of-function mutation)로 인한 소두증 환자의 신경 오가노이드(neural organoid)를 연구한 결과, 기능을 상실한 CDK5RAP2가 조숙한 신경 분화를 유도하여 뇌의 발달 저하를 초래한다는 것을 보여주었다. 이와 유사하게, 자폐증 환자의 iPSC에서 유래한 오가노이드의 전사체 프로파일링(transcriptome profiling)을 통해, 이 환자에서 GABA성 억제 뉴런이 과도하게 형성되어 있음을 발견했다.

4.2 치료제와 약물 개발 분야에서의 가능성

기존의 2D 세포주에는 다중-배양에서 의해 생성된 돌연변이 또는 다른 세포주와의 오염이 존재한다. 이런 점들은 질병 모델링이나 약물 스크리닝을 위한 모델로서 정확성을 떨어뜨린다. 실제로, 이러한 비생리적인 모델에 과도하게 의존한 것이 지난 20년 동안 많은 약물 발견 프로그램의 실패율을 높인 이유 중에 하나라고 생각된다. 이로써 초기 약물 발견 프로그램 및 독성 스크린에 사용하기 위해 훨씬 더 안정하고 생리적인 환자 유래 오가노이드와 결합한 초고속 스크리닝(high-throughput screening) 기술을 개발하려는 노력이 가속화되었다. 최근에 Ogawa 등은 환자 유래의 담관세포 오가노이드에서 잘못접힘현상(misfolding)을 감소시키고 단백질을 안정화시키는 억제제를 사용하여, CFTR (cystic fibrosis transmembrane conductance regulator) 단백질의 잘못접힘현상과 세포막으로의 전이(translocation)현상을 바로잡았다. 이것은 다양한 조건을 치료하기 위한 신규 화합물의 시험 및 스크리닝을 위한 오가노이드의 유용성을 보여 준다.

환자 유래 오가노이드는 또한 맞춤 치료법을 개발하는 데 중요한 자원이다. 질병 부위로부터 형성된 오가노이드를 생체 밖에서 증식시킬 수 있는 기술은 질병의 원인돌연변이를 밝히기 위한 시퀀싱과 환자-맞춤형 치료를 위한 심층표현형 프로파일링(in-depth phenotypic profliling)을 위한 충분한 재료를 제공할 수 있다. 환자로부터 얻은 오가노이드는 질병 조직을 선택적으로 타겟하는 약물 조합에 대한 임상적 스크리닝을 가능하게 하여 부작용을 최소로 하면서 좀 더 효과적인 치료법을 찾는데 도움을 준다. 항암치료의 부작용은 많은 경우에 급성 간독성으로 인하여 발생한다. 따라서 고가의 임상 시험을 시작하기 전에 실험 약물 조합의 생체 내 간독성을 예측하기 위하여, 간 오가노이드를 사용할 수 있다. 약물 내성을 예측하고 암 줄기세포(cancer stem cell) 후보를 효과적으로 타겟하는 약물을 개발하기 위하여 오가노이드를 사용할 수도 있다. 또한, 4D 현미경을 이용한 장기간 추적을 통해, 오가노이드를 암 줄기세포의 행동 및 약물에 대한 생존력을 평가함으로써 환자의 결과를 예측할 수 있다.

오가노이드 모델이 상당히 발전하였지만, 면역 세포를 포함한 기질 성분이 부족하기 때문에 감염 또는 약물에 대한 염증 반응의 모델링에서는 아직 사용하는 데 한계가 있다. 약물 스크리닝에 오가노이드를 사용하면 상대적으로 촘촘한(rigid) 세포외기질로 둘러싸여 있기 때문에 약물 침투가 제한적이다. 이 문제는 세포외기질의 물리적 특성을 변화시킴으로써 부분적으로 해결할 수 있다(표 1). 구성요소, 다공성(porosity), 단단한 정도(stiffness)와 같은 세포외기질의 물리적 특성의 변형을 통해 세포외기질과 종양이 침투하는 부분 사이의 상호 작용에 대한 모델링이 가능하며, 종양에 의해 세포외기질이 변화하는 것을 차단하는 새로운 약물에 대한 스크리닝을 할 수 있는 수단을 제공할 수 있다.

아쉽게도 오가노이드 배양은 생존력, 크기 및 형태면에서 본질적으로 여러 종류가 섞여 있으며(heterogeneous), 이러한 성질은 약물 독성 및 효능 분석을 복잡하게 만든다. 이러한 오가노이드의 한계는 이질성(heterogeneity)에 대한 특성 평가와 반응을 실시간으로 분석 가능한 영상 기술의 발전으로 극복할 수 있을 것이다(표 1).

4.3 오가노이드와 재생의학(regenerative medicine)

현대 의학에서는 동종 이식(allogenic transplantation)을 통해, 손상되거나 기능을 상실한 조직을 건강한 조직으로 대체하는 것이 가능하다. 그러나 건강한 조직을 공급하는 것에는 한계가 있고, 조직 거부반응의 문제가 있기 때문에 다른 형태의 조직 공급원이 필요하다. 오가노이드 기술은 조직 이식을 위해 채집된 미량의 환자 생체시료로부터 동일한 유전자를 갖는 조직(isogenic tissue)을 형성하는 것을 가능하게 한다. iPSC 기술을 이용하여, 피부처럼 쉽게 접근 가능한 조직으로부터 동일한 유전자(isogenic) 혹은 같은 타입의 HLA 조직을 형성하는 것도 가능하다. 유전적 결함이 있는 환자의 오가노이드도 이제 유전자 편집 기술(gene-editing technology)를 이용하여, 같은 환부(orthotopic)에 같은 유전자(isogenic)를 가진 건강한 상피조직을 효과적으로 형성할 수 있다. Dekkers 등은 실제로 이러한 접근이 가능함을 보여주었다. 환자에서 유래한 결장(colon) 오가노이드를 CRISPR/Cas9 유전자 편집 기술을 이용하여 germline CFTR 변이를 정상으로 바꾸었고, 그 결과 건강한 상피세포를 만들 수 있는 기능을 회복하였다. 실제로, 오가노이드를 결장이나 췌장, 간에 이식한 여러 연구에서 오가노이드가 생체 내의 손상된 조직을 회복할 수 있었다고 보고되었다. 환자에서 유래한 오가노이드는 궤양성 대장염, 크론병, 위-식도 역류성 질환, 신장 질환 및 간경변을 비롯한 다양한 인간 질환 치료에도 적합할 것으로 기대된다. 아직은 가능하지 않지만, 췌장 전구세포와 기능성 β 세포 또는 랑게르한스섬을 보존할 수 있는 췌장 오가노이드 배양 기술은 당뇨병 치료에 혁명을 불러올 것이다. 좀 더 생리학적으로 유사한 신경 오가노이드가 개발되면 척수 손상, 파킨슨병과 같은 신경변성 질환을 치료할 수 있는 건강한 조직을 제공하는 훌륭한 공급원이 될 것이다. 아쉽게도, 오가노이드 배양에서 3차원 매트릭스로 사용되는, 마우스 육종(sarcoma) 유래의 메트리겔(Matrigel)은 감염 및 면역/숙주 거부 반응의 위험성 때문에 임상 이식에서는 사용할 수 없다. 그러므로 임상적 규제를 만족할 수 있는 ECM을 제조하려는 노력이 진행되고 있다.

5. 앞으로의 전망과 미래 가능성

오가노이드는 다양하게 조절된 환경에서 줄기세포의 분화 과정을 연구하기에 가장 접근하기 쉽고 생리학적으로 적합한 모델 중 하나이다. 지금까지 오가노이드는 줄기세포의 고유한 특성(identity)과 주변미세환경의 구성요소(niche composition)를 밝히기 위한 획기적인 시험법으로써 증명되었다. 유전정보나 전사체, 단백질 분석법과 함께 결합하여, 조직의 발생과 항상성 유지, 질병에 대한 결정적인 부분을 밝히는데 오가노이드가 기여하고 있다. 사람 생체 내 조직 구성을 정확히 재현하는 오가노이드를 형성하는 과정은 단순한 기초 연구 도구에서부터 응용연구의 플랫폼까지 다양하게 적용할 수 있게 확장되었다. 유전적 변화 없이 대량으로 오가노이드를 배양할 수 있다면, 오가노이드는 초고속 스크리닝 기술을 위한 좋은 모델이 될 수 있으며, 환자-맞춤형 표적 치료에 이용될 수 있고, 재생의학 분야에 적용될 수 있는 완벽한 조직을 제공할 수 있게 될 것이다(그림 1).

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그림 1. 오가노이드의 생성, 분화 및 응용의 요약



오가노이드 기술에 대한 관심이 증가함에 따라, 다양한 분야의 과학자들이 쉽게 이용할 수 있도록 좀 더 표준화되고 검증된 배양 배지의 상용화가 중요하며, 그것에 의해서 오가노이드의 잠재력이 극대화 될 것이다. 좀 더 정제된 ECM이 개발되면, 상당히 정교하고 재현성있는 배양 모델이 등장하게 될 것이다. 이로써 실험실에서 우리 머리맡까지(from bench to bedside) 적용이 가능해질 전망이다.

오가노이드 기술은 현재의 기술들과 시너지를 일으켜 다양한 후속적 기능과 적용을 이끌어냄으로써 오가노이드의 적용가능성을 부각시켰다. 이러한 특징들은 생리학적 관련성과 함께 오가노이드를 최근 인간 발생과 질병 및 치료 연구를 위해 등장한 기술 중에 가장 흥미롭고 유망한 기술 중에 하나로 만들어 줄 것이다.
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이재원(2017). 사람의 발생과 질병에 대한 생체 외 모델로서 오가노이드(Organoid). BRIC View 2017-R30. Available from https://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=report&id=2837 (Oct 12, 2017)
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