[DEBUG-WINDOW 처리영역 보기]
즐겨찾기  |  뉴스레터  |  오늘의 정보  |  e브릭몰e브릭몰 회원가입   로그인
BRIC홈 동향
라이카써머캠프
스폰서배너광고 안내  배너1 배너2 배너3 배너4
과학으로 본 코로나19 (COVID-19)
전체보기 Bio통신원 Bio통계 BRIC View BRIC이만난사람들 웹진(BioWave)
목록
조회 2140  인쇄하기 주소복사 트위터 공유 페이스북 공유 
바이오통신원   
[바이오토픽] 오가노이드, 각종 COVID-19 연구에서 효자노릇 톡톡히 할 듯
의학약학 양병찬 (2020-06-24)

The boom in mini stomachs, brains, breasts, kidneys and more

The boom in mini stomachs, brains, breasts, kidneys and more / © Nature

'신종 코로나바이러스가 인체를 유린하는 메커니즘'을 연구하기 위해, 연구자들은 실험실에서 미니 기관─소위 오가노이드(organoid)─을 배양하고 있다. 오가노이드를 연구하면, 바이러스가 다양한 기관─폐, 간, 신장, 소화관 등─을 얼마나 능숙하게 침입하는지를 알 수 있다. 또한 연구자들은 오가노이드를 이용한 실험을 통해, 치료제로 거론되는 후보약물들의 효능을 평가할 수 있다.

의사들은 입원한 환자의 진료와 생검(autopsy)을 통해, SARS-CoV-2가 기관을 황폐화시킬 수 있다는 사실을 잘 알고 있다. 그러나 그런 손상 중 일부가 '바이러스 자체'에 의한 것인지, 아니면 '감염의 2차합병증'에 의한 것인지는 불분명하다. 많은 연구팀들은 바이러스가 '인체의 어느 부분을 여행하고, 어떤 세포를 감염시키고, 어떤 손상을 입히는지'를 알아내기 위해, 오가노이드 연구를 수행하고 있다.

"오가노이드의 아름다움은, 조직의 진정한 형태학(morphology)과 유사하다는 데 있다"라고 독일 마인츠 소재 요하네스 구텐베르크 대학교의 토마스 에페르트(세포생물학)는 말했다.

바이러스 학자들은 전형적으로 (배양접시에서 배양된) 세포주(株)나 동물세포를 이용하여 바이러스를 연구한다(참고 1). 그러나 그런 것들은 SARS-CoV-2 감염을 제대로 모델링할 수 없다. 왜냐하면, 신체 내에서 일어나는 사건을 시뮬레이션할 수 없기 때문이다.

"그에 반해, 오가노이드는 SARS-CoV-2가 인간의 조직에서 하는 짓을 잘 설명할 수 있다"라고 스페인 바르셀로나 소재 카탈루냐 생명공학연구소의 누리아 몬트세라트(줄기세포생물학)는 말했다. "오가노이드는 여러 가지 세포유형을 포함하도록 배양될 수 있으며, 불과 몇 주 만에 오리지널 기관의 형태를 취할 수 있다." 또한 오가노이드는 동물모델보다 비용이 덜 들며, 동물모델이 제기하는 윤리적 이슈(참고 2)를 회피할 수도 있다.

그러나 오가노이드 속에서 SARS-CoV-2를 연구하는 데는 한계가 있는데, 그 이유는 (신체 내에서 일어나는) 기관들 간의 상호작용을 반영하지 못하기 때문이다. "따라서 오가노이드 연구는 여전히 동물모델과 임상연구를 통해 검증될 필요가 있다"라고 네덜란드 로테르담 소재 에라스무스 MC의 바르트 하흐만스(바이러스학)는 말했다.

호흡기계에서

오가노이드에서 얻을 수 있는 핵심적인 통찰 중 하나는 'SARS-CoV-2가 호흡기계─즉 상기도(upper airway)에서 폐(肺)까지─에서 무슨 일을 하는가?'이다.

일본 교토 대학교(京都大学)의 줄기세포생물학자인 다카야마 가즈오(高山和雄)가 이끄는 연구팀은 기관지의 바깥층(상피)에세 채취한 냉동세포를 이용하여 네 가지 독특한 유형의 세포를 가진 기관지 오가노이드(bronchial organoid)를 만들었다. 연구팀이 그 오가노이드를 SARS-CoV-2에 감염시켰더니, 바이러스는 주로 (상피 중의 기저세포를 갱신하는) 줄기세포를 겨냥할 뿐, 방어적이고 분비성인 곤봉세포(club cell)에는 쉽사리 침투하지 못하는 것으로 밝혀졌다(참고 3).

먼저 상기도에서, 바이러스는 폐에 침투하여 COVID-19의 심각한 합병증 중 하나인 호흡부전(respiratory failure)을 초래할 수 있다. 뉴욕시 소재 웨일코넬 의대의 천 수이빙(줄기세포생물학)은 폐오가노이드(lung organoid)를 이용한 연구에서(참고 4), "일부 세포는 감염된 후 죽고, 바이러스는 케모카인(chemokine)과 사이토카인(cytokine)이라고 알려진 단백질 생산을 유도하는데, 케모카인과 사이토카인이 대량 면역반응을 촉발할 수 있다"고 보고했다. 많은 중증 COVID-19 환자들은 사이토카인 폭풍이라는 면역반응을 경험하는데, 이것은 치명적일 수 있다(참고 5).

그러나 자신의 연구결과를 《bioRxiv》에도 업로드한 천(Chen)에 따르면, 환자의 폐세포가 죽어가는 구체적 이유─다시 말해서, 바이러스가 초래한 손상 때문인지, 아니면 자가유도된 파괴(self-induced destruction) 때문인지, 아니면 면역세포에 의해 탐식되었기 때문인지─는 미스터리라고 한다. "우리는 세포가 죽는다는 사실만 알 뿐, 그 메커니즘은 모른다"라고 천은 말했다. 천이 오가노이드를 만드는 데 사용한 접근방법은 다카야마와 달랐다. 즉, 다카야마가 성체세포를 이용한 데 반해, 천은 (체내에서 모든 유형의 세포로 발달할 수 있는) 다능성줄기세포(pluripotent stem cell)를 이용했다. "나와 같은 방식으로 오가노이드를 배양하면 더 많은 유형의 세포를 포함할 수 있지만, 최종 결과물이 덜 성숙하므로 성체조직을 대변하지 못할 수 있다"라고 천은 말했다. 그녀는 현재 폐오가노이드를 면역세포와 함께 배양하고 있다.

혈액 안에서

그리고 폐에서, SARS-CoV-2는 다른 기관으로 확산될 수 있다. 그러나 몬트세라트가 이끄는 연구팀이 지난 5월 《Cell》에 논문을 발표할 때까지(참고 6), 연구자들은 바이러스가 다른 기관으로 확산되는 메커니즘을 정확히 알지 못했다. 몬트세라트는 다능성줄기세포를 이용한 실험을 통해, "내피(endothelium)─혈관의 내벽을 구성하는 세포─가 SARS-CoV-2에 감염된 다음, 바이러스 입자가 망가진 내피를 뚫고 혈액 속으로 누출되어 전신을 순환한다"고 보고했다. "혈관이 손상된 COVID-19 환자에 대한 병리학적 보고서도 몬트세라트의 가설을 뒷받침한다"라고 그 보고서(참고 7)의 공저자인 캐나다 브리티시 컬럼비아 대학교의 요제프 페닝거는 말했다.

"오가노이드를 이용한 연구들에 따르면, 일단 혈액으로 진입한 바이러스는 여러 기관을 직접 감염시킬 수 있다고 한다"라고 페닝거와 몬트세라트는 말했다. 바이러스에 감염된 신장 오가노이드에서 일부 세포가 사망하는 것은 맞지만, 연구자들은 그게 (일부 환자들에게서 관찰된) 신장 기능장애의 직접적인 원인인지 여부를 확신하지 못하고 있다.

간오가노이드(liver organoid)를 이용한 한 연구에서, 바이러스는 담관세포(cholangiocyte)─담즙 생산에 기여하는 세포─를 감염시켜 살해할 수 있는 것으로 밝혀졌다. "많은 연구자들은, COVID-19 환자들에게서 나타나는 간손상이 과잉면역반응이나 약물 부작용 때문이라고 생각하고 있다"라고 중국 상하이 소재 푸단 대학교(復旦大學)의 자오 빙(세포생물학)은 말했다. 그는 《Protein & Cell》에 기고한 논문에서(참고 8), 바이러스가 간조직을 직접 공격함으로써 간손상을 초래할 수 있다"고 제안했다.

☞ Organoids made from human liver ductal cells infected with SARS-CoV-2 (red).Credit: Bing Zhao

이미지를 누르시면 원본 이미지를 보실 수 있습니다.

또한 《Science》에 실린 소화관 오가노이드(gut organoid)를 이용한 연구에 따르면(참고 9), 바이러스는 소장과 대장의 내벽을 구성하는 세포(enterocyte) 속에서 복제할 수 있다고 한다.

☞ Human intestinal organoids infected with SARS-CoV-2 (white). Credit: Joep Beumer/Clevers group/Hubrecht Institute

이미지를 누르시면 원본 이미지를 보실 수 있습니다.

"이상과 같은 연구결과들은 유익하지만, 오가노이드를 이용한 '바이러스-숙주 상호작용' 연구는 이제 겨우 시작일 뿐이다"라고 하흐만스는 말했다. 그는 소화관 오가니오드를 만들었다. "오가노이드의 적합성을 논하는 것은 시기상조다." 연구자들은 이구동성으로, 바이러스가 인체의 면역계와 상호작용을 통해 손상을 초래하는 메커니즘을 제대로 이해하려면 더욱 복잡한 오가노이드 시스템이 필요하다고 말한다.

"COVID-19를 초래한 바이러스가 폐 외부의 조직을 감염시켜 질병에 유의미하게 기여한다는 것은 거의 확실시된다"라고 페닝거는 말했다. 그러나 더욱 심각한 결과들(예: 신장손상, 폐손상)은 '바이러스 감염'과 '과도한 면역반응'의 합작품일 가능성이 높다"라고 페닝거는 말했다.

약물의 시험대

또한 과학자들은 오가노이드가 '약물의 신체 내 반응'을 모델링하는 데 사용될 수 있는지를 연구하고 있다. 그들의 바람은, 오가노이드를 이용하여 COVID-19의 잠재적 치료제를 테스트하는 것이다. 일부 약물들이 광범위한 세포 및 동물실험을 생략하고 임상시험에 진입하고 있는 현실을 감안할 때, 오가노이드를 이용한 약물 테스트는 시사하는 바가 많다.

"시간의 긴급성을 감안하여, 많은 임상시험들이 선행 코로나바러스 연구에 기반하여 설계되어, 신중한 모델링 평가 없이 런칭되고 있다"라고 천은 말했다. "그 결과, 많은 임상시험들이 실패로 돌아갔다."

천은 미국식품의약국(FDA)이 다른 질병 치료제로 승인한 약 1,200개의 약물을 검색하여, "항암체인 이마티닙(imatinib)이 폐오가노이드에서 SARS-CoV-2를 억제하는 것으로 나타났다"고 보고했다(참고 4). 그 이후 이마티닙의 효능을 테스트하려는 임상시험들이 줄을 이었다.

따른 연구팀들도 오가노이드를 이용하여 기존 약물들의 효능을 테스트하여, 그중 일부는 성공을 거뒀다(참고 3, 참고 10). "오가노이드 시스템이 약물의 효능을 테스트하는 데 얼마나 유용한지는, 결과가 말해줄 것이다"라고 하흐만스는 말했다. "우리는 긴 여행을 하고 있다."

※ 참고문헌
1. https://doi.org/10.1016/j.tips.2020.05.005
2. https://www.nature.com/articles/d41586-019-02947-0
3. https://doi.org/10.1101/2020.05.25.115600
4. https://doi.org/10.1101/2020.05.05.079095
5. https://www.nature.com/articles/d41586-020-01056-7
6. https://doi.org/10.1016%2Fj.cell.2020.04.004
7. https://doi.org/10.1016%2FS0140-6736%2820%2930937-5
8. https://doi.org/10.1007%2Fs13238-020-00718-6
9. https://doi.org/10.1126%2Fscience.abc1669
10. https://doi.org/10.1101/2020.06.10.144816

※ 출처: https://www.nature.com/articles/d41586-020-01864-x

  추천 3
  
인쇄하기 주소복사 트위터 공유 페이스북 공유 
  
양병찬 (약사, 번역가)
서울대학교 경영학과와 동대학원을 졸업하고, 은행, 증권사, 대기업 기획조정실 등에서 일하다가, 진로를 바꿔 중앙대학교 약학대학을 졸업하고 약사면허를 취득한 이색경력의 소유자다. 현재 서울 구로구에서 거주하며 낮에는 약사로, 밤에는 전문 번역가와 과학 리포터로...
다른 연재기사 보기 전체보기 >
[바이오토픽] 혈뇌장벽(BBB)의 새로운 이해: '젊은 뇌'에는 생각보다 많은 양의 혈장단백질이 드나든다
뇌 속의 혈관들은 혈액에 의해 운반되는 이온, 분자, 세포의 투과성(permeability)을 제한하는 속성을 갖고 있다. 이러한 혈뇌장벽(BBB: blood–brain barri...
[바이오토픽] 코로나바이러스 6개월 중간평가 - 아직 해결되지 않은 5大 불가사의
2019년 12월 말, "중국 후베이성(湖北省) 남동쪽에 위치한 인구 1,100만 명의 도시 우한(武漢)에서 불가사의한 폐렴이 발생했다"는 소식이 보도되었다. 중국의 과학자들이 신...
[바이오토픽] 다윈을 경악시킨 '속씨식물의 폭발적 진화'의 수수께끼, 150년 만에 해명될까?
지금으로부터 150여 년 전, 찰스 다윈은 화석기록에 나타난 속씨식물의 폭발적 다양화에 경악했다. 최초의 꽃식물 화석이 등장한 지 1,000만 년 후, 중요한 네 가지 과(科)가...
본 기사는 네티즌에 의해 작성되었거나 기관에서 작성된 보도자료로, BRIC의 입장이 아님을 밝힙니다. 또한 내용 중 개인에게 중요하다고 생각되는 부분은 사실확인을 꼭 하시기 바랍니다. [기사 오류 신고하기]
 
  댓글 0
등록
위로가기
동향 홈  |  동향FAQ  |  동향 문의 및 제안
 |  BRIC소개  |  이용안내  |  이용약관  |  개인정보처리방침  |  이메일무단수집거부
Copyright © BRIC. All rights reserved.  |  문의 member@ibric.org
트위터 트위터    페이스북 페이스북   유튜브 유튜브    RSS서비스 RSS
머크