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오가노이드를 활용한 치료제 개발 동향
오가노이드를 활용한 치료제 개발 동향 저자 이승준 (부산대학교 의과대학 )
등록일 2018.02.08
자료번호 BRIC VIEW 2018-T05
조회 14119  인쇄하기 주소복사 트위터 공유 페이스북 공유 
요약문
2D 세포주 배양법은 세포가 유래한 위치 본연의 성질과 조직 단위의 특성을 재현하기 힘들다. 동물실험 모델은 인체와 유전적, 생물학적 특성면에서 다르기 때문에 약물 시험 반응의 신뢰성에 한계가 있다. 대안으로 암 환자 유래 이종이식 모델(patient-derived xenograft)이 활용되지만, 대규모 약물 스크리닝에는 부적합하다. 최근, 기존의 문제점을 보완할 새로운 약물 스크리닝 플랫폼으로서 오가노이드가 주목받고 있다. 오가노이드 기술은, 환자 오가노이드 바이오 뱅킹, 다양한 질병 모델링, 유전체 교정 기술 융합을 통한 재생 치료, 환자 유전체 정보와 연계한 맞춤 치료 및 정밀 치료 등 다양한 잠재적 응용 가능성을 보여주고 있다. 본 보고서에서는 전임상 시험 모델로서 정상 조직 오가노이드 및 환자 유래 오가노이드의 임상적 가치에 대해 논의하고, 오가노이드 기반 플랫폼의 한계와 해결 과제들을 살펴보고자 한다.
키워드: 오가노이드, 신약 개발, 정밀 의학, 맞춤 의학, 재생 의학, 암, 유전체학 organoid; drug screening; precision medicine; personalized medicine; regenerative medicine; cancer; genomics
분야: Biotechnology, Genomics
목차

1. 서론
2. 본론
  2.1 오가노이드 정의 및 기술 개요
  2.2 오가노이드 기반 플랫폼의 활용
  2.3 유전체 정보 활용의 한계와 전임상 시험 모델로서의 암 오가노이드
  2.4 환자 유래 오가노이드의 활용
  2.5 오가노이드 기반 플랫폼의 한계 및 해결 과제
3. 결론
4. 참고문헌


1. 서론

1975년, 제임스 레인왈드 박사와 하워드 그린 박사가 각질형성세포(keratinocyte)를 연속 배양, 유지하여 상피 피부 조직을 만드는 기술을 개발하였다. 이 배양 피부 조직(epidermal sheets)은 2, 3도 화상 환자들에게 동종 이식 또는 자가 이식되어 지금까지 많은 생명을 구하는 데 사용되었다[1, 2]. 현재 이 기술은, 국내를 비롯한 전세계에서 피부 세포치료제로 개발되어 화상 및 당뇨성 족부궤양 적응증에 대해 처방되고 있다. 재생 치료의 목적으로 정상세포를 활용하고자 하는 바램은, 각 장기를 모사한 다양한 오가노이드 배양법의 발전으로 이어졌다. 오가노이드(organoid)는 성체줄기세포(adult stem cell, ASC)가 존재하는 피부 생검, 장기 절편과 같은 1차 조직과 배아줄기세포(embryonic stem cell, ESC)로부터 형성된 3D 기관형 배양체(organotypic culture)를 표현하는 용어였다. 현재는 좀더 명확하게 성체줄기세포, 배아줄기세포, 유도만능줄기세포(induced pluripotent stem cell, iPSC)로부터 자가 재생 및 자가 조직화를 통해 형성된 3차원 세포 집합체로 정의된다. 오가노이드는, 배아 및 장기 발달 신호전달체계 기초연구를 통해 규명된 신호전달물질이 함유된 배지와 생체 기질 환경(matrigel, 메트리젤)에서 배양된다. 그리고, 환자의 암세포로부터 유래한 암 오가노이드 배양으로 발전되었다. 오가노이드는 이제 신약개발의 새로운 전임상 시험 모델로 크게 주목 받고 있다. 기존의 in vitro 2D 세포주 배양법은 세포가 유래한 위치 본연의 성질을 유지하는 데 필요한 기질과의 상호작용 및 조직 단위의 세포 특성을 재현할 수 없다. 동물 모델은 in vivo 생리활성을 유사하게 대변할 수 있지만, 인체 생리활성 및 유전적 특성 차이로 인해 약물 효능 시험 결과를 완전히 담보할 수 없다. 암 환자 유래 이종이식 모델(patient-derived xenograft)이 활용되고 있지만, 비용과 시간 면에서 비효율적이어서 대규모 약물 스크리닝에 한계가 있다. 이러한 문제점 해결의 대안으로써 오가노이드 기반 플랫폼은 약물 스크리닝, 환자 오가노이드 바이오 뱅킹, 뇌 질환 및 감염 질환과 같이 기존에 구현하기 어려웠던 질병 모델링, 유전체 교정을 통한 재생 치료, 환자 유전체 정보와 연계한 맞춤 치료 및 정밀 치료 등 다양한 잠재적 응용 가능성을 보여주고 있다. 지면을 통해 오가노이드를 활용한 개념 증명 단계의 신약개발 사례와 임상 활용 잠재성에 대해 살펴보고자 한다.

2. 본론

2.1 오가노이드 정의 및 기술 개요

오가노이드는 줄기세포(성체줄기세포, 배아줄기세포, 유도만능줄기세포)로부터 계통 발생 및 분화를 통해 형성된, 자가 재생 및 자가 조직화가 가능한 3차원 세포 집합체로 정의된다[3]. 세포 구성 및 구조 면에서 인체의 1차 조직과 유사하고 본래 조직의 기능을 재현할 수 있으며 인체와 근접한 생리활성을 지니고 있다. 한스 클레버스 박사 연구팀에서 최초로 장 오가노이드를 확립한 이후 뇌, 위, 췌장, 폐, 간, 혀 등 여러 장기와 장기 연관 연조직에 이르는 다양한 오가노이드가 구축되었다[4, 5]. 이를 기반으로 다양한 암 환자의 조직 및 순환종양세포로부터 환자 별 특성이 보존된 암 오가노이드가 배양되었다[6-8]. 장 오가노이드는, 마우스 및 인체의 Lgr5(+) 장 줄기세포 및 장 움(crypt) 조직 절편으로부터 추출한 상피줄기세포를 재료로 Wnt, Noggin (BMP 저해 인자), R-spondin (Lgr4/5 수용체 리간드. Wnt 길항제로 작용), EGF(상피 성장인자)를 주요 니치(niche, 미세 환경) 성분으로 하는 배지와 메트리젤 지지체 안에서 실제 소장 구조를 모사한 조직으로 3D 배양된다. 다양한 장기 오가노이드가 니치 환경의 최적화를 통해 조직 특이적으로 분화되어 각 장기의 세포 구성, 구조, 기능을 모사한 오가노이드로 배양된다(그림 1).

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그림 1. 오가노이드 배양 기술. 배아줄기세포, 인체 생검(1차 조직)의 성체줄기세포, 체세포에서 역분화 시킨 유도만능줄기세포를 미세환경(니치) 인자가 포함된 배양 배지와 세포외기질 인자를 제공해 주는 메트리젤에 포매된 환경에서 배양. 자가 조직화, 자가 증식, 조직 특이적 계통 분화를 통해 각 장기의 세포 구성, 구조, 기능을 재현할 수 있는 오가노이드가 형성됨. 오가노이드 배양 기술을 기초로, 최근에는 환자의 암 조직 및 혈장 내 순환종양세포로부터 암 오가노이드가 높은 성공률로 배양되었음.

2.2 오가노이드 기반 플랫폼의 활용

2D 세포주 배양법의 한계를 극복하면서도 기존의 효율적인 2D 배양 기반 생화학적, 세포생물학적 분석 기법을 쉽게 활용할 수 있다는 점에서 오가노이드 기반 플랫폼은 운용 및 응용 가치가 매우 높다(그림 2). 인체의 생리활성을 유사하게 재현할 수 있고, 환자의 조직으로부터 오가노이드를 구축함으로써 환자의 유전정보를 기반으로 한 질병 모델링, 반복 시험을 통한 약물 스크리닝 등 환자 별 맞춤 의학과 정밀 의학 플랫폼으로도 활용 가능하다. 환자의 조직에서 유래한 오가노이드는 살아있는 바이오 뱅크로 활용 가능하다. 구축된 오가노이드는 기존에는 불가능했던 외부 인자 및 유해물질(감염성 미생물 및 바이러스, 독성물질)에 대한 반응과 상호작용 규명을 위한 질환 모델 플랫폼으로도 활용 가능하다. 크리스퍼 유전자 가위(CRISPR/Cas9)를 이용한 유전자 교정 기술에 대한 접근도가 높아지면서 유전자 치료와 손상된 장기이식의 대안으로도 그 가능성이 주목받고 있다.

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그림 2. 오가노이드의 연구 및 임상 활용 잠재성. 오가노이드는 각 장기의 세포 구성, 구조, 기능, 생리활성을 모사한 in vitro 모델로써, 이미 잘 구축된 기존의 분석기법들을 활용하기에 적합하다. 때문에 다양한 응용 잠재성을 갖고 있다.

2.2.1 맞춤 의학 및 정밀 의학

차세대 염기서열 분석법의 대중화를 통해 유전체, 전사체, 후성유전체, 단백체, 대사체 등 환자의 디지털 생명 정보에 대한 접근과 활용이 쉬워지고 있다. 환자의 실제 유전체 프로파일은 환자 오가노이드의 유전체 정보와 매우 유사하기 때문에 오가노이드 기반 환자 맞춤형 약물 스크리닝, 유전체 기반 정밀 의학 플랫폼에 적합하다[3, 5, 8-10]. 오가노이드는 무한 증식 배양할 수 있고, 환자 오가노이드는 바이오 뱅크로 활용 가능하다. 때문에 환자 유래 이종이식 모델에서는 불가능했던, 다양한 약물 농도, 용법, 병용 조합 시험을 반복적으로 수행할 수 있다. 이는 환자 맞춤형 치료제 스크리닝, 새로운 치료제 발굴에 활용된다 선별된 약물은 우선 치료에 실패한 환자가 표준치료법이 없는 경우, 치료 선택 결정의 근거가 될 수 있다(그림 2).

2.2.2 새로운 질병 모델링 및 재생 의학의 잠재성

환자 오가노이드가 임상 연구 플랫폼으로서 그 잠재적 가치를 조명 받게 된 것은 낭포성 섬유증(cystic fibrosis) 오가노이드 모델링을 통해서였다[11, 12]. 낭포성 섬유증(cystic fibrosis, CF)은 CFTR 유전자 변이로 촉발된다. 정상 직장 오가노이드(rectal organoid)는 forskolin 약물에 반응해서 부종이 나타났지만, 낭포성 섬유증 환자 오가노이드는 반응이 없었다. 이러한 부종 반응은 CFTR 유전자 회복 약물에 의해 다시 나타났다. 현재 낭포성 섬유증 환자 오가노이드의 약물 부종 반응 플랫폼은 상실된 CFTR 유전자 기능을 회복할 수 있는 약물 개발에 활용되고 있다. 이후, 단일 유전자 변이에 의한 주요 질환 및 암을 비롯한 다양한 질병 모델 오가노이드를 통해 약물 반응 연구, 신약 스크리닝, 새로운 연구 모델 확립 등 연구가 활발히 진행되고 있다.

특정 질병 치료제 연구개발이 어려운 가장 큰 이유는, 적합한 실험 모델, 질병 모델 동물이 없기 때문이다. 하지만, 조직 특이적 오가노이드를 통해 새로운 질병 모델링이 가능해졌다[5]. 암세포는 유전적 변이 및 후성 유전적 프로파일, 형태 및 표현형적 차이, 유전자 발현, 대사작용, 증식률, 전이성 등 다양한 프로파일을 지닌 암세포, 암줄기세포, 간엽세포, 간질세포 등 이질적인 세포로 구성되어 있다. 이러한 종양세포 간, 종양세포 내 비균질성은 항암제 내성 및 재발의 주요 원인이 된다. 암의 완치가 힘든 이유다. 췌장암은 예후가 매우 좋지 않고, 치료제 개발이 미흡한 암이다. 연구와 약물 시험에 적합한 모델이 없었기 때문이다. 환자의 췌장암 조직으로부터 배양한 췌장암 오가노이드는 환자의 특이적인 조직학적 특질, 생리활성을 재현할 수 있었다. 환자 유래 오가노이드의 이종이식을 통해 형성된 췌장암은 원발암과 유사한 특성을 갖고 있었다. 췌장암 오가노이드에서 H3K27me3의 히스톤 메틸전달효소(EZH2) 저해 약물 시험을 통해 치료제 개발의 가능성을 보여 주었다[13, 14]. 암세포와 미세 환경의 비균질성으로 인해 아주 예후가 좋지 않은 뇌종양인 악성 교모세포종(glioblastoma) 환자의 암 오가노이드는 저산소 농도 차, 암줄기세포의 비균질성을 재현하여 진단과 치료 시스템으로 활용될 수 있는 잠재성을 보여주었다[15]. 크리스퍼 유전자 가위 유전체 교정 기술로 정상 장 오가노이드에서 발암 유전자 KRAS, APC, TP53, SMAD4, PIK3CA를 연속적으로 편집해 대장암 모델을 만들었다. 이는 대장암 환자의 발병 진행 및 대장암 유형 모델링이 가능함을 시사한다.

지난 2016년 중남미 지역에서 창궐한 지카 바이러스가 태아의 소두증의 원인으로 지목되었지만, 바이러스와 뇌 발달의 상관 관계를 연구하기 위한 실험 모델이 없었다. 하지만, 인체 만능줄기세포로부터 뇌 오가노이드를 배양, 대뇌피질 발생을 재현하였다. 이 모델을 통해, 지카바이러스(ZikaVirus) 감염이 신경줄기세포의 사멸과 자식작용을 유도하는 신경발달 손상 기작을 규명할 수 있었고 치료제 개발의 돌파구를 만들었다[16, 17]. 장 오가노이드로부터 장세포 단일층을 만들어 노로바이러스(NoroVirus)의 감염과 복제를 재현하였고[18], 장 오가노이드를 활용한 로타바이러스(RotaVirus) 감염 모델도 만들어 졌다[19]. 기존의 박테리아 연구 모델은 박테리아의 병원성 규명에 초점이 맞춰져 있었지만, 오가노이드 기반 박테리아 감염 모델은 박테리아와 세포 특이적 상호작용을 직접 탐색할 수 있게 해준다. 오가노이드의 내강(lumen)에 해당되는 부위에 직접 박테리아를 주입하거나, 분리한 단일 세포에 감염시킨 후 오가노이드를 배양하는 방법, 오가노이드 배양 중에 추가하여 감염시키는 방법이 활용되고 있다. 헬리코박터 파일로리, 살모넬라 등 다양한 병원성 박테리아 및 정상 세균총과 인체의 상호작용 연구를 위한 오가노이드 모델이 개발되고 있다.

앞서 언급한 낭포성 섬유증과 같은 단일 유전자 변이 질환은 크리스퍼 유전자 가위로 유전자 변이를 교정하는 유전자 치료에 적합한 모델이다. 실제로 CFTR 유전자를 교정한 장 오가노이드는 정상 장 오가노이드와 동일한 부종 반응을 보였다[20]. 낭포성 섬유증 환자의 유도만능줄기세포에서 CFTR 유전자를 교정해 기도 상피세포로 분화 시켰을 때 CFTR 채널이 정상적으로 작동함을 보여주었다[21]. 장 오가노이드를 마우스에 이식 해 정상 기능 회복 및 개선된 치료 효과를 확인한 바 있다[22, 23]. 이러한 연구 결과들은 오가노이드가, 유전체 교정 기술과 유도만능줄기세포를 활용한 유전자 치료, 재생 의학의 도구로 활용될 수 있는 가능성을 높여주고 있다.

2.3 유전체 정보 활용의 한계와 새로운 전임상 모델로서의 암 오가노이드

차세대 염기서열 분석 기술 발전과 분석 비용 절감으로 환자 유전체 정보에 대한 접근과 활용이 쉬워지고 있다. TCGA (The Cancer Genome Atlas), ICGC (International Cancer Genome Consortium)와 같은 컨소시엄이 구성되어 유형별 암 환자의 대규모 유전체 정보가 축적되고 있다. 다양한 암 환자의 유전체 정보는 암의 유전적 영향에 대해 조망할 수 있는 새로운 시각을 제시해 줄 뿐 아니라 새로운 치료 표적을 발굴하는 데에도 중요하다. 하지만, 이 유전체 정보를 기반으로 유전 변이의 기능을 이해하고 치료 반응에 대한 영향을 검증할 수 있는 전임상 시험 모델은 여전히 제한적이다. 오가노이드 배양 기술의 발전으로 암 환자로부터 암 오가노이드를 ex vivo 배양하게 되면서 암 오가노이드 기반 고처리 약물 스크리닝이 가능해졌다. 잉글랜더 정밀의학 연구소(Englander institute for precision medicine) 연구진은 501명의 원발암 및 전이암 말기 환자의 유전체 분석을 하였다. 환자의 769개 정상 조직과 암 조직 쌍에 대한 전 유전체 염기서열 분석 결과, 암 유전자 95.8%에서 변이가 발견되었다(그림 3A). 이중 FDA 승인 치료제로 치료 접근이 가능한 유전 변이는 0.4 %, 허가 외 사용 가능한(off-label) 치료제는 9.6 %에 불과했다(그림 3A, 3B). 나머지 90%에 해당되는 말기 암 환자의 암 유전체 변이 정보가, 치료에는 무용지물일 수 있다는 얘기다. 단일 염기 삽입/결손 변이, 복제 수 변이가 발생한 대표적인 암 유전자 20종 중에서 FDA 승인 치료제로 표적 치료가 가능한 암 유전자는 각각 2종에 불과했다(그림 3C, 3D). 이는 암의 유전 정보 분석을 통해 치료의 표적을 규명했음에도 불구하고(예, BRAF, EGFR 등), 대부분의 말기 암을 치료할 수 있는 대안이 없을 수 있음을 시사한다[9]. 유전체 정보를 환자의 치료 선택에 활용하기 위해서는 환자 별 약물 감수성을 검증할 수 있는 전임상 약물 시험 플랫폼이 필요하다. 때문에 환자 오가노이드 기반 약물 스크리닝 플랫폼과 이종이식 모델이 유용하게 활용될 수 있다(그림 4D). 이종이식 모델과 환자 오가노이드 기반 약물 스크리닝 결과를 비교 검증하여 실제 환자의 치료 전략 수립 및 효과적인 치료제 적용 결정의 근거로 사용할 수 있다.

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그림 3. 환자 코흐트 유전체 분석 정보 기반 실제 임상적 치료 접근의 한계성[9]. (A) 501명 암 환자의 769개 암 조직의 유전체 분석(전 엑솜 염기서열 분석) (B) 분석한 암 조직 내 암 유전자 변이 개수. 회색 히스토그램: 암 조직 내 암 유전자 변이. 녹색 선 (0.4%): FDA 승인 치료제로 치료 시도가 가능한 환자 당 암 유전자 변이 개수. 주황색 선 (9.6%): 허가 외 사용 가능한 치료제로 치료 시도할 수 있는 암 유전자 변이 개수 (C) 암 유전자 중 가장 흔한 단일 염기 삽입/결손 변이(SNV/indels). 붉은색 유전자: FDA 승인 치료제로 표적 가능한 암 유전자(대표 20종 중 2종에 불과) (D) 암 유전자 중 가장 흔한 단일 유전자 복제 수 변이(SCNA), 녹색 유전자: FDA 승인 치료제로 표적 가능한 암 유전자(대표 20종 중 2종에 불과).

2.4 환자 유래 오가노이드의 활용

항암제 개발 비용은 급증하고 있지만, 성공적으로 시장에 출시되는 항암제는 후보 약물 15개 중 1개에 불과하다[24]. 문제는 in vitro에서 검증된 후보 약물에 대해 임상적 중개 가능성(translatability)을 담보할 수 있는 전임상 시험 모델이 없다는 데 있다. 오가노이드 배양 기술의 발전으로 암 환자의 조직으로부터 암 오가노이드 배양이 가능해졌고, 혈액 내 순환종양세포로부터 전립선 암 오가노이드가 성공적으로 배양되기도 하였다[7]. 암 오가노이드는 증식이 쉽고, 다양한 농도의 약물을 재현성 있게 반복 시험할 수 있다는 점에서 고처리 대규모 약물 스크리닝 플랫폼 개발이 가능하다. 환자 별 오가노이드 바이오 뱅크를 통해 맞춤형 치료가 가능한 약물을 스크리닝하는 데 활용할 수도 있다.

2.4.1 바이오 뱅크 기반 대규모 신약 스크리닝 플랫폼을 통한 맞춤 치료

오가노이드 기반 약물 스크리닝 플랫폼의 핵심 가치는 바이오 뱅크 기반 대규모 신약 스크리닝에 있다. 다수 환자의 암 조직으로부터 암 오가노이드를 배양하고 바이오 뱅크를 구축하고 신약 검증 시험으로 선별된 약물에 대해 임상 연구가 수행 가능하며, 새로운 적응증 확대를 위한 약물 검증 시험이 가능하다. 암 오가노이드 기반 플랫폼은 암 유전체 정보 기반 치료와 임상 적용 간 간극을 메워주고, 세포주를 활용한 2D 배양 및 환자 유래 이종이식 in vivo 모델 기반 약물 스크리닝 방법의 한계를 극복할 주요 대안이 된다. 환자 별 오가노이드 바이오 뱅킹의 첫 시도는 휘브레흐트 오가노이드 기술 연구소(HUB) 에서 수행되었다. 대장암 환자의 정상 장 조직 및 대장암 조직으로부터 오가노이드 바이오 뱅크를 구축하고 환자 오가노이드의 유전체를 분석하였다[25]. 암 유전자 변이를 표적으로 하는 약물 반응 감수성은 반수 최대 억제농도(IC50, the half-maximal inhibitory concentration), 약물반응 곡선 기울기, 용량 반응 곡선 하 면적(AUC, area under the dose-response curve)으로 검증하였다. EGFR 저해제인 세툭시맙(cetuximab)과 아파티닙(afatinib)은 KRAS 변이가 있는 대장암 오가노이드에 대해서는 저항성을 보였고, TP53 변이 암 오가노이드에 대해서는 Nutlin-3a가 약물 저항성을 보였다[25]. 위의 연구에서 보듯, 환자 유래 암 오가노이드는 특정 표적 치료가 가능한 환자를 선별하는데 활용될 수 있다. 이는 동반진단 근거 마련의 주요 플랫폼으로서 활용가치가 높다는 것을 의미한다. 표적치료제가 환자에 적합한 지 완전히 검증하기 위해서는 후보 바이오마커 대규모 발굴 연구 및 바스켓 시험(basket test, 암 환자 적응증과 무관하게, 작용 기작에 초점을 둔 시험)이 선행되어야 한다. 환자 오가노이드 기반 임상적 개념 증명 연구는 이미 시작된 바 있다(임상연구: SENSOR 50400.031.14; 임상연구: Eudract 2014-003811-13). 일본 게이오 의과대학 사토 연구그룹에서도 니치 인자 조건을 개선한 방법으로, 다양한 유형의 대장암 환자 55명으로부터 22종의 대장암 오가노이드 바이오 뱅크를 구축하였다[26]. 이 플랫폼을 통해 선종에서 선암으로 발전될 때, 유전적 변이에 따라 니치 인자 의존도가 감소함을 규명할 수 있었다. 암 오가노이드가 임상 결정의 플랫폼으로 검증되면 전임상 단계에서, 부작용 감소, 치료 비용 절감, 높은 치료 효과를 기대할 수 있는 신약 개발에 활용될 수 있을 것이다.

2.4.2 오가노이드 모델 시스템의 임상적 검증과 활용

오가노이드 모델 기반 약물 스크리닝 플랫폼의 임상적 중요성을 검증한 주요 연구들이 있다. 원발암 및 전이암 말기 환자의 유전체 분석을 통해 규명된 대표적인 유전 변이 암 환자 4명으로부터 암 오가노이드를 구축하였다. 160종의 약물 후보(라이브러리)에서 대해서 각각 6~8개의 다른 농도로, 치료 예측 약물 스크리닝을 반복 수행하였다[9]. 자궁암(PIK3CA, PTEN 변이), 자궁 내막암(PIK3CA, PTEN, ctnnb1 변이), 대장암(KRAS, TP53, APC 변이), APC 변이 대장암 환자 오가노이드에 대해 IC50, AUC를 지표로 하여 세포사멸효과를 검증하였다. 유전 변이가 유사한 자궁암 환자와 자궁 내막암 환자의 오가노이드는 보리노스탯(Vorinostat, HDAC 저해제), 부팔리십(Buparlisib, PIK3CA 표적 치료제)에 대해 약물 감수성이 좋았다. 하지만, 병용치료 약물 스크리닝 결과는 자궁 내막암 환자의 경우, 부팔리십-올라파립(olaparib, PARP 저해제) 조합이, 자궁암 환자의 경우 보리노스탯-부팔리십 조합이 각각 암 오가노이드 세포사멸 효과가 가장 좋았다. KRAS, TP53, APC 변이 대장암 환자와 APC 변이 대장암 환자 오가노이드를 이용한 약물 스크리닝의 경우, KRAS, TP53, APC 변이 대장암 환자는 거의 모든 항암제에 대해 저항성을 보였으나 트라메티닙(trametinib, MEK 저해제)에 대해서만 약물 감수성을 확인하였고, 병용 스크리닝을 통해 셀레콕십(celecoxib)과의 조합이 효과가 가장 좋았다. APC 변이 대장암 환자 오가노이드는 아파티닙(afatinib, EGFR 저해제)과 HDAC 저해제인 보리노스탯과의 조합이 암 오가노이드 세포사멸 효과가 가장 좋았다. 이 결과는 환자 오가노이드 유래 이종이식 모델에서 확인한 약물 반응 효과와 일치하였다[9]. 이러한 개념 증명 단계 연구는 환자 암 오가노이드 기반 약물 스크리닝 플랫폼의 가치를 높여주고 있다. 최근 간암 오가노이드 기반 약물 스크리닝 플랫폼을 통해서 환자 특이적인 약물 감수성을 확인하고 예후 예측에 활용할 수 있는 새로운 바이오마커를 발굴한 연구도 진행되었다. 원발 간암은 크게 간세포암(hepatocellular carcinoma, HCC), 담도암(cholangiocarcinoma, CC), 복합 간세포-담도암(combined hepatocellular-cholangiocarcinoma, CHC)으로 분류된다. 연구진은 인체 정상 간 조직으로부터 간 오가노이드를 배양하여 간 기능과 유전적 안정성을 장기간 재현하고 확장시킬 수 있었던 기존 기술을 발전시켜 간암 오가노이드를 배양하였다[27]. 환자 8명의 간암 오가노이드는 각 원발암의 조직학적인 구조, 발현 프로파일, 유전체 양상, in vivo 종양형성 능력을 재현할 수 있었다. 이를 기반으로 신약 스크리닝이 시도되었다[10]. 간암 오가노이드로부터 아직 알려지지 않은 원발성 간암과 연관된 새로운 유전자를 발견하였다. 발현이 가장 많이 증가한 30개의 유전자 중 19개는 이미 간암에서 과발현되어 있는 유전자로, 예후가 좋지 않은 간암과의 관련성이 보고되었다. TCGA 환자 데이터베이스 분석을 통해 30개 유전자 중 29개의 유전자가 간암 환자에서 과발현 되어있음을 확인할 수 있었고, 이 중 새롭게 규명된 11종의 유전자 중 간세포암종에 대해서 C19ORF48, UBE2S, DTYMK, 복합 간세포-담도암 코흐트에 대해 C1QBP 유전자가 과발현된 환자의 예후가 좋지 않았다. 이는 간암 오가노이드가 암세포의 특징을 재현할 수 있으며 간암에 대해 예후 예측 바이오마커 발굴 플랫폼으로도 활용될 수 있음을 시사한다. 또한 ERK 저해제인 SCH772984를 새로운 간암 치료제로 활용될 수 있음을 제시하였다[10]. 이러한 시도들은 새로운 항암제 스크리닝과 개인 맞춤형 의학 치료의 새로운 장을 연 사례로 평가할 수 있다.

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그림 4. 환자 오가노이드를 활용한 약물 스크리닝 및 검증 플랫폼. (A) 환자 맞춤 약물 스크리닝 플랫폼[9, 10]. 암 환자 A 와 B로부터 구축한 암 오가노이드에 실제 환자에 처방된 치료제 c(검은색, 대조구)와 비교하여 효능이 좋은 약물 스크리닝 수행. 약물 후보군은 발암 유전자 변이, 후성 유전적 변이 등 환자의 유전체 정보에 근거하여 선정. 암 환자 A는 a 약물(붉은색)이, 암 환자 B는 b 약물(파란색)이 암세포에 대한 세포사멸 효과가 좋음. (B) 선별 약물을 기반으로 한 병용 약물 스크리닝 플랫폼. 암 환자 A에 효능이 있는 a 약물을 기준으로 다양한 병용 처치가 가능한 조합으로 약물 스크리닝 결과 가장 효과적인 조합 a+d를 선별. (C) 환자 암 오가노이드 이종이식 모델 기반 in vivo 약물 반응 검증. 환자의 암 오가노이드를 면역결핍 마우스에 이식한 후 선별 약물 및 대조구 약물에 대한 in vivo 검증을 통해 효능을 재확인 (D) 환자 오가노이드를 활용한 약물 스크리닝 및 검증 플랫폼 개념도.

그림 4는 앞서 언급한 암 환자 오가노이드 기반 약물 스크리닝 플랫폼을 간단히 모식화한 것이다. 암 환자 A 와 B 오가노이드를 대상으로 환자 특이적 약물 스크리닝이 가능하다. 환자 A에는 약물 a, 환자 B에는 약물 b가 약물 감수성이 좋았다(그림 4A). 선별된 약물과 병용 처리하는 약물 조합 스크리닝도 가능하다. 암 환자 A에게 선별된 약물 a와 다른 후보 약물을 병용 처리하여 약물 d와의 조합이 가장 효과적임을 알 수가 있다(그림 4B). 이렇게 선별된 약물 조합 a+d 의 약물 효과는 이종이식 모델을 통해 in vivo 에서 한번 더 검증한다(그림 4C). 환자의 유전체 정보 분석, 환자 오가노이드 바이오 뱅크, 환자 유전체 정보 기반 약물 스크리닝, in vivo 약물 검증에 이르는 일련의 과정을 통해 표준치료법의 선택지가 없는 환자를 우선 대상으로, 환자의 치료 전략 수립 및 효과적인 치료제 적용 결정의 근거로 사용할 수 있다(그림 4D). 환자의 치료 결정으로 이루어지기 까지 산술적으로 약 8-12주 정도 소요될 것으로 추정된다.

2.5 오가노이드 기반 플랫폼의 한계 및 해결 과제

질병 모델링, 신약개발 플랫폼, 중개 의학의 도구로써 높은 잠재적 가치에도 불구하고, 오가노이드 배양 기반 플랫폼은 극복해야 할 주요 과제들을 안고 있다. 인체 생리활성에 근접한 모델이지만, 줄기세포 주위 미세 환경 및 면역세포는 여전히 존재하지 않는다. 때문에 약물 반응, 감염 및 염증 반응 모델링에 한계점이 있다. 이러한 문제들은 배양 조건의 최적화 과정을 통해 면역세포를 비롯한 다양한 기질세포와의 공배양으로 극복할 수 있을 것이다. 완전한 형태의 오가노이드 배양을 위해서는 산소와 영양 공급, 노폐물 배출이 가능한 관류시스템 기반 배양법이 필요하다. 회전식 생물배양기의 활용도 가능하다. 또한 혈관 내피세포의 공배양, 혈관 오가노이드와의 융합 배양 등이 가능하다. 미세유체 기술(microfluidics)과의 융합은 현실적인 대안으로 실제로 많은 시도들이 이루어지고 있다. 생체모방 장기 칩(Organ-on-a-chip)과 다중 장기를 관류시스템으로 연결시킨 생체모방 인체 칩(Body-on-a-chip) 시스템에서 오가노이드는 주요한 제원으로 활용된다.

오가노이드는 실제 장기와 일치하는 세포로 구성되어 있지만 장기의 실제 거대 구조의 재현은 부족하다. 생물공학적인 방법으로 줄기세포를 직접 수정하고 줄기세포 미세 환경을 제어하고 시스템 안에서 세포의 자가 조직화와 계통 분화를 시공간적으로 총괄 제어할 수 있어야 한다[28]. 현재 대부분의 오가노이드는 혈관을 통한 영양 공급 대신 전적으로 배양 배지에 의존한 배양법이기 때문에 크기가 제한적이다. 형태와 기능면에서 이식 가능한 수준으로 향상된 장기 오가노이드를 만들기 위해서는, 배양법의 최적화 및 규모 확장이 필요하다. 바이오 프린팅 기술이 배양 환경 개선의 새로운 대안을 제시해 줄 수 있다.

메트리젤를 이용한 배양 시스템은 오가노이드 기반 플랫폼의 응용과 임상적 활용에 제약이 된다. 메트리젤 기반 3D 기질에서는 성장인자 및 신호전달 물질의 생체 내 농도 구배 효과를 재현할 수 없고, 약물의 침투에 물리적인 장벽이 된다. 마우스 육종암(sarcoma)에서 유래한 메트리젤에 대한 정확한 기작이 규명되지 않아, 임상 적용의 안정성을 담보하기에도 힘들다. 이를 극복하기 위해 하이드로젤 기반 기질이 대체제로 연구되고 있다. 최근, 완전히 규명된 합성 하이드로젤(PEG-4MAL hydrogels)을 통해 성공적인 장 오가노이드 배양과 대장 조직 손상 치료 효과를 검증한 연구는 주목할 만 하다[29].

환자의 암 오가노이드는 정상 오가노이드 배양법을 기초로 배양되는데 이 배양 조건은 이질적인 종양세포의 특정 세포군 생장에만 적합한 조성일 수 있다. 오가노이드 배양 조건의 최적화를 위해 니치 인자에 대한 기초 생물학의 이해가 필요한 부분이다. 외과적 수술로 확보되는 환자의 조직 생검은 오가노이드 배양의 제원으로 부족하다. 복수, 흉막 삼출액과 혈액 내 순환종양세포는 ex vivo 오가노이드 배양의 주요 제원으로서 가치가 있다. 오가노이드 기반 플랫폼으로 선별된 약물의 임상 적용을 높이기 위해서는, 현재 플랫폼에서 간과된, 암과 기질 간 상호작용을 고려한 약물 반응을 추가로 검증하는 것이 필요하다. 그림 4D에서 요약한 파이프라인에서 보듯, 환자 암 오가노이드를 이종이식 모델로 추가 검증하는 시스템이 하나의 대안일 수 있다.

논의하기에 이른 감이 있지만, 오가노이드 바이오 뱅킹의 윤리적 문제도 제기되고 있다[30]. 기존의 인체 조직은 비상업적인 목적의 기증으로 확보되었으나, 오가노이드 기술의 발전, 임상적 가치의 상승으로 상업적 목적으로의 개발에 관심이 높아지면서, 인체 조직 기반 오가노이드 바이오 뱅킹에 대한 도덕적, 법적 논의가 필요한 상황이다. 오가노이드 바이오 뱅킹의 성공적인 정착과 활용을 위해서는 바이오 뱅킹 참여자의 권리가 침해되지 않으면서 임상적, 과학적 사회적 가치에 대한 제고가 필요할 것이다. 또한 in vitro에서 증식한 줄기세포를 치료제로 활용하기 위해서는 안전성에 대한 개념이 명확하게 규정되어야 하고, 배양한 오가노이드를 이식하는 효과적인 방법 또한 개발되어야 할 것이다.

3. 결론

개발된 새로운 치료법은 환자 별 치료 반응의 다양성, 치료 결과 예측의 어려움, 약물 시험에 소요되는 시간 및 비용 등의 문제로 실제 의료 현장에서 적용되기가 쉽지 않다. 전임상 시험모델로서 오가노이드 배양 기반 플랫폼은, 약물 스크리닝, 환자 오가노이드 바이오 뱅킹과 이를 기반으로 한 환자 별 맞춤형 약물 스크리닝, 환자의 생명 정보 분석과 연계한 정밀 의학의 플랫폼, 유전체 교정 기술과 연계한 재생 의학 분야의 적용 등 많은 잠재력을 갖고 있다. 약물 스크리닝 플랫폼을 통해 선별된 약물이 실제 임상에 적용되기 위해서는, 표준 시험법의 확립이 필요하고 실제 임상 결과와 오가노이드 기반 치료 반응이 명확히 비교 검증되어야 한다.

현재, 환자 오가노이드 바이오 뱅크 기반 약물 효능 및 독성 코흐트 임상 시험이 암 모델 개발기구(human cancer model initiative, HCMI) 산하 암 모델 개발센터(Cancer Model Development Centers, CMDCs)의 프로젝트로 수행되고 있다. HCMI는 차세대 암 연구 모델 개발을 위해 미국 국립 암 연구소(National Cancer Institute, NCI)가 연구비를 지원하고, 영국 암 연구소(Cancer Research UK), 휘브레흐트 오가노이드 기술 재단(foundation Hubrecht Organoid Technology), 웰컴 트러스트 생거 연구소(Wellcome Trust Sanger Institute, WTSI)가 함께 참여한 컨소시엄이다. HCMI 컨소시엄은 인체 유래 제원으로 새로운 배양 모델을 만들어 유전체 데이터와 임상 데이터를 함께 해석하고자 하는 목적으로 설립되었다. 프로토콜 학습과 공유를 통해 실험 결과와 임상 데이터 결과를 확보하고 해석하는 과정을 표준화하고자 한다. 암 모델 개발센터는 미국 국립 암 연구소의 암 정복 프로그램(Cancer Moonshot)과 암 정밀의학 연구소(the precision Medicine Initiative in Oncology)의 일환으로 운영된다. 이러한 흐름을 보면, 진단 및 예후 예측 바이오마커 발굴, 환자 개인별 유전 정보를 기반으로 맞춤형 치료가 가능한 약물 개발의 플랫폼으로써 오가노이드 활용 연구개발은 앞으로 더욱 확대될 것으로 예상할 수 있다.

4. 참고문헌

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이승준(2018). 오가노이드를 활용한 치료제 개발 동향. BRIC View 2018-T05. Available from https://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=report&id=2900 (Feb 08, 2018)
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