줄기세포란 체내 모든 종류의 세포로 분화할 수 있는 미분화 세포를 의미하며, 크게 배아줄기세포와 성체줄기세포로 존재한다. 오가노이드는 이러한 줄기세포로부터 체외에서 만들어지는 3차원 조직 모사체 및 미니 장기이다.

☞ 배아줄기세포는 개체에 존재하는 모든 조직의 세포로 분화할 수 있는 만능성을 가짐과 동시에 체외에서 무한히 배양하는 것이 가능하다. 이 두 가지 특징 때문에 세포 분화 과정에 대한 기초 연구에서부터 질병 모델링과 세포치료제 개발을 위한 플랫폼으로 활발하게 활용되고 있다.

과거 세포 모델은 암세포나 불멸화된 세포주가 주축을 이루었으나, 실제 체내에 존재하는 세포와 비교하여 생물학적 특성과 반응성에서 큰 차이를 보였다. 배아줄기세포는 암세포가 아님에도 무한히 증식할 수 있고, 다양한 조직 세포를 생산해 낼 수 있으므로 기존의 세포주 모델을 대체하는 새로운 플랫폼을 제공하였다. 특히 인간 배아줄기세포의 경우, 인간의 초기 발생을 연구하고, 다양한 인간 조직 세포를 생산함으로써, 동물 모델의 한계점을 보완하는 역할로 주목받고 있다.

☞ 성체 줄기세포의 주요 역할은 조직이나 기관의 세포를 유지하고 손상된 세포를 치료하는 것이기에 조직별 성체 줄기세포 분화과정에 대한 이해와 조직 특이적 분화 기술 확보는 차세대 재생의료 분야에 활용이 가능하다.

신체 조직의 복구 과정과 재생 과정에서 성체 줄기세포와 조직 내 주변 미세환경의 상호조절 및 분화 기작을 이해하여 질병을 극복하는 데 줄기세포를 활용한 치료법이 재생 의료 분야에서 대안으로 제시되고 있다.

☞ 오가노이드는 체외에서 배양이 가능한 3차원 미니 장기유사체가 가진 특징으로 인해 질병발생의 기작을 이해하기 위한 기초의학을 비롯하여 재생의학과 인공장기 개발, 질병 모델링, 신약 개발 등 차세대 바이오연구 및 산업에 전반적으로 활용이 가능하다.

인간 질병을 연구하는데 기반이 되었던 과거의 2차원 세포배양 모델과 동물 모델은 세포 유사성 및 생체 조직 구조의 모사성이 낮다는 점과 인간과 동물과의 궁극적인 차이점이 존재한다는 한계점을 가지고 있었다. 줄기세포 및 오가노이드는 이러한 한계점을 극복한 인간 조직 모델로, 인공장기 개발, 질병 모델링, 독성 테스트, 신약 개발 및 환자 맞춤형 치료제 개발 등의 분야에서 주목받고 있다.

이에 한국연구재단 기초연구본부는 ‘줄기세포 및 오가노이드’에 대한 연구동향 브리프를 발간했다(NRF R&D BRIEF 2021-23호/생명과학단).

 

■ 최근 많은 연구가 이루어지고 있나?

ㅇ 줄기세포 및 오가노이드 연구는 기초의학, 재생의학, 인공장기 개발 및 질병 모델링을 통한 신약개발의 핵심적인 연구분야 중 하나로 각광받고 있으며, 현재 바이오 관련 연구와 산업에 중추적인 역할을 하고 있으며, 관련 논문의 출판이 지난 수년간 급증함.

■ 최근 국내․외 연구 동향은?

ㅇ (한국) 세포주기, 만능성, 암발생을 연결하는 중요 인자 발굴(EMBO Mol. Med., 2019.11.)

ㅇ (글로벌) 전분화능 줄기세포 유도 방법 개발(Cell, 2021.5.)

ㅇ (한국) 빛으로 신경줄기세포 재생 기술 개발(Science Advances, 2020.4.)

ㅇ (미국) 모낭줄기세포 연구를 통한 만성적 스트레스에 의한 탈모의 원인 규명(Nature, 2021.3.)

ㅇ (한국) 인체장기 완벽 재현한 조립형 ‘미니장기’ 개발(Nature, 2020.12.)

ㅇ (미국) 체외에서 기능하는 대뇌 피질-골격근(cortico-motor assembloids) 하이브리드 어셈블로이드 개발(Cell, 2020.12.)

ㅇ (글로벌) 장, 폐, 간, 편도선 등 다양한 오가노이드에 SARS-COV-2 바이러스에 감염시켜
장기별 반응 및 기작 설명(2020~2021)

■ 기초연구사업 지원 현황은?

ㅇ 지원과제 현황

 

ㅇ 성과현황

■ 향후 기초연구사업에서 어떤 연구들이 필요한가?

※ Bric View(2021.3.) - 김현이(연세대학교)
<상피-중간엽(epithelial-mesenchymal) 미세 환경(niche)이 줄기세포 분화에 미치는 영향>
▪ 줄기세포와 줄기세포 주변 미세환경간의 상호작용에 대한 연구가 필요함.
- 최근의 줄기세포 연구들, 특히 상피줄기세포에 대한 연구들은 줄기세포가 주변의 미세 환경에 의해 크게 좌우되는 양방성의 역동적인 상태에 있음을 보여줌.
- 발생과정에 대한 연구들은 상피 내 줄기세포와 그 자손세포들 간의 상호작용을 세포 수준에서 분석하며 이러한 연구들은 오가노이드 배양 기술의 개발을 촉진하고 이는 다시 줄기세포와 그 주변 환경에 대한 이해를 도움.

※ Bric View(2020.6.) - 한민준(아스트라제네카)
<동물에서 역분화 및 직접교차분화 현황 및 응용>
▪ 줄기세포 분화, 역분화, 교차분화에 대한 기초생물학적 연구가 필요함.
- 인간 배아줄기세포와 유도만능줄기세포에서 분화한 세포를 이용하여 황반변성, GVHD, 파킨슨병 치료를 위한 임상 실험이 활발히 진행 중임.
- 완전히 분화된 세포를 다른 계통의 세포로 만드는 직접교차분화 기술도 향후 세포치료 분야에 응용될 것으로 생각됨.
- 현재의 역분화, 교차분화 기술은 기술적인 문제점을 가지고 있기 때문에, 이 분야에 대한 연구가 더 필요함.

※ Bric View(2021.5.) - 김현이(연세대학교)
<신약개발 과정에서의 오가노이드 활용 현황 및 전망>
▪ 오가노이드의 생체 유사성과 유전자 조작이 용이한 체외 배양 기술은 정교한 질환 모 델링 및 발병 기전 연구를 가능케 하며 , 이를 통한 신뢰할 수 있는 분자 표적의 발굴이 기대됨.
- 유도만능줄기세포나 조직검사 시 얻어진 성체줄기세포를 이용해 오가노이드를 만들어 환자의 유전적 특성을 그대로 보유한 질환 모델을 활용할 수 있음.
- 오가노이드는 2차원 배양에서는 볼 수 없었던 암세포들간의 이질성(intra-tumor heterogeneity)을 재현하여 암 조직의 고유한 특성을 그대로 유지한 모델로 암 연구에 적용될 수 있음.
- 오가노이드를 활용하여 감염병의 숙주-병원체 상호작용을 확인할 수 있음.
- 오가노이드의 유전자 조작의 용의성은 표적의 유효성을 평가하는 데 도움이 되며, 형광 단백질의 발현 등을 통해 상태 변화를 쉽게 관찰할 수 있는 리포터 오가노이드의 개발까지도 가능함.

※ Bric View(2020.8.) - 최정문(Georgia Institute of Technology)
<근육 줄기세포 지지 그룹: 근육 재생 과정 중 조직적인 세포 반응>
▪ 골격근 재생 과정에서의 근육 줄기세포와 주변 미세환경의 상호조절 과정에 대한 연구가 필요함.
- 근육 줄기세포의 경우, 다른 조직의 성체줄기세포와 마찬가지로 휴지기와 활성기를 지니며 주변 미세환경 변화에 의해 근육 줄기세포가 어떻게 행동하는지 이해하는 것이 필요함.
- 생쥐 모델에서 근육 부상 이후 관찰되는 근육 줄기세포의 활성 변화와 주위 미세 환경의 신호체계 변화 분석은 골격근 재생에 대한 근본적인 이해를 도움.
- 근육 줄기세포 분화연구와 활성인자 발굴은 노화 시 발생하는 근육 손실과 질병에서 유래되는 근육의 기능 상실을 완화시키는 치료법 개발로 이어질 수 있음.

※ Bric View(2019.8.) - 김슬하(서울대학교)
<3차원 신경 조직 모 델: 스페로이드에서 바이오프린 팅까지>
▪ 3차원 배양 모 델의 실제 신경계 재현을 위해서는 더욱 다양한 종류의 세포배양과 내부까지 양분이 갈 수 있는 혈관 유도 등의 기술이 필요함.
- 실제 조직의 생리적 환경을 모방하기 위해서는 매우 동적인 미세 환경에서 세포가 어떻게 행동하는지 이해하는 것이 필요함.
- 뇌질환 관련 모델로 활용 가능한 신경조직의 3차원 배양 시스템에서 현재까지는 확인할 수 없는 희돌기교세포(oligodendrocytes), 미세아교세포(microglia), 성상세포(astrocytes) 및 주피세포(pericytes)와 같은 신경계에 존재하는 다른 종류의 세포들이 필요하며 공동 배양 및 다양한 세포 유형의 생존 및 기능을 잘 지원할 수 있는 적합한 물질의 개발이 필요함.
- 오가노이드 모델은 크기가 커질수록 중심부에서 양분과 산소의 결핍으로 세포의 괴사가 불가피함. 기체 및 영양소 교환을 촉진하기 위해 구조 내에 모세혈관 네트워크와 같은 구조체를 형성할 필요가 있음.

※ Bric View(2018.10.) - 김승일(Lawrence J. Elison institute)
<암 연구를 위한 오가노이드 모델>
▪ 환자 특이적인 약물 테스트와 개인 맞춤형 치료법의 개발
- 오가노이드는 환자들로부터 유래한 정상 및 암 조직들로부터 매우 높은 효율로 배양될 수 있기 때문에 환자 특이적인 약물 테스트와 개인 맞춤형 치료법의 개발을 가능케 함.
▪ 암 형성에 기여하는 돌연변이 과정을 연구하기 위한 오가노이드 기술의 활용
- 암은 돌연변이의 축적에 의해 발병된다고 알려져 있으므로 조직 항상성과 암 형성 과정 동안 활성화된 돌연변이 특성들을 이해하는 것이 중요함.
- 이미 돌연변이가 축적이 되어 많은 돌연변이들이 활성화된 암 세포주는 돌연변이 특성들의 기원을 연구하는 것을 어렵게 만들지만, 오가노이드는 점진적인 돌연변이 특성 및 기원 추적을 가능하게 해 암의 발병과정을 연구할 수 있는 플랫폼을 제공해 줌.
▪ 다양한 종류의 세포와 오가노이드의 공동배양 시스템 구축 필요
- 오가노이드 배양의 근본적인 제한점 가운데 하나는 기질(stroma), 혈관 그리고 면역세포들이 결여된 것임. 앞으로의 연구들은 추가적인 세포(그리고 미생물) 요소들을 통합시키는 공동 배양 시스템을 개발이 필요함.

※ Bric View(2018.02.) - 이승준(부산대학교 의과대학)
<오가노이드를 활용한 치료제 개발 동향>
▪ 환자 유래 오가노이드를 활용한 질병 모 델링 및 병리 기전을 밝히는 연구와 질병 치료제 개발의 가능성
- 환자 유래 오가노이드는 환자의 특이적인 조직학적 특징, 생리 활성을 재현할 수 있음.
- 현재까지 환자 유래 오가노이드로 질병의 병리를 밝힌 연구가 많이 진행되고 있으며 앞으로도 다양한 질병의 병리를 찾는데 활용될 것으로 기대됨.
- 환자 유래 오가노이드로 질병의 병리를 밝힌 사례로 낭포성 섬유증은 낭포성 섬유증막 관통 조절인자(CFTR) 유전자 변이로 촉발되는데, 정상 직장 오가노이드와 달리 낭포성 섬유증 환자 오가노이드는 포스콜린(forskolin) 약물에 반응하지 않으며, 오가노이드 기술로 본 유전자 회복을 통해 약물 반응성이 회복되는 것을 증명한 연구 사례가 있음.
▪ 오가노이드 기술의 항암제 연구에서의 활용
- 암세포는 동일하고 균질적이지 않으며 세포마다 유전적 변이 및 후성 유전적 프로파일, 형태 및 표현형적 차이, 유전자 발현, 대사 작용, 증식률, 전이성 등 다양한 프로파일을 지님.
- 이러한 종양세포 내 비 균질성은 항암제 내성 및 재발의 주요원인이 됨.
- 오가노이드는 기존의 암 연구에 활용되던 모델들과 달리 종양 내 비균질성을 유지할 수 있어 이에 약제 내성 및 치료제 개발 연구에 활용될 것으로 기대됨.
▪ 오가노이드의 줄기세포 주변 미세환경 및 면 역시스템의 구축 필요
- 오가노이드는 인체 생리 활성에 근접한 모델이지만 기존의 오가노이드 시스템은 줄기세포 주위 미세환경 및 면역세포가 부재한다는 한계점이 있어 약물반응, 감염 및 염증 반응 모델링에 한계점이 있음.
- 완전한 형태의 오가노이드 배양을 위해서는 산소와 영양공급, 노폐물 배출이 가능한 관류시스템 기반 배양법이 필요하며 혈관 오가노이드와의 융합배양, 미체유체 기술(microfluidics)과의 융합 등 많은 시도들이 이루어지고 있음.

※ Bric View(2017.10.) - 이재원(서울대학교 의과대학)
<사람의 발생과 질병에 대한 생체 외 모 델로서 오가노이드>
▪ 줄기세포 주변 미세환경(niche)와 발생과정에서의 계통 특이성에 관한 신호 전달 경로 이해를 위한 연구 필요
- 배아줄기세포나 유도만능줄기세포에서 유래한 오가노이드에는 의도하지 않은 세포 유형이 있다는 한계가 존재함. 이는 줄기세포를 분화시킬 때 사용되는 요소가 세포를 원하는 계통으로만 분화시키기에 완벽하지 않기 때문.
- 줄기세포 주변 미세환경(niche)과 조직에서 계통 특이성(lineage specification)을 제어하는 신호전달 경로를 이해하는 것이 성공적인 오가노이드 배양의 핵심
- 주요 신호전달 경로의 조절분자와 장기 특이적인 호르몬을 스크리닝해서 오가노이드의 성장을 도와줄 배양 성분을 찾아내는 연구 등이 필요.
▪ 오가노이드를 활용한 조직 발생연구와 질병 연구
- 오가노이드 시스템은 연구자들이 배아 발달, 계통 특이성 및 항상성, 질병의 발병 및 발현을 조절하는 과정을 집중적으로 연구할 수 있는 도구를 제공함.
- 오가노이드는 체계적인 세포의 분화를 통해 발달 단계의 특징을 잘 유지하고 있으므로 줄기세포의 발달과 그 주변 미세환경(niche)에 대한 귀중한 통찰력을 제공하며, 기능적으로 성숙되는 분화 과정을 모니터 할 수 있는 기회를 제공함.
- 또한 조직 생리 및 종양 발생에서 후보 유전자의 기능을 직접 평가하기 위해 건강한 오가노이드에 유전자 편집 기술을 사용하여 질병의 병리를 밝힐 수 있으며, 몇몇 동물 모델링이 매우 어려운 두뇌 발달과 관련된 질병에서도 훌륭한 질병 모델이 될 수 있음.

 

■ 기초연구사업 결과들이 원천기술 확보로 이어지려면?

■ 향후 중점적으로 추진하여야 할 연구주제가 있다면?