[바이오타임즈] 3D 세포배양(3D cell culture)은 세포가 상호작용을 하거나 성장할 수 있도록 인위적으로 만들어진 3차원 환경이다. 세포가 3D 환경에서 성장하면 생체 외(in vitro)에서 모든 방향으로 성장할 수 있다. 또 생체 내(in vivo)에서 세포가 가지는 생리학적 특징도 매우 잘 보여준다. 이런 이유로 관련 업계에서는 3D 세포배양을 기초연구와 신약개발 분야에 활용하기 위해 노력하고 있다. 그러나 실제 생체환경은 더욱 복잡하다. 라미닌(Laminin), 피브로넥틴(Fibronectin), 콜라겐(Collagen) 등의 분자구조뿐만 아니라 성인인자, 사이토카인(Cytokine) 등의 단백질 분자도 존재하기 때문이다. 싱가포르 제약기업 머크(Merck Pte)의 먼킷 총(Mun-Keat Chong) 이사는 “세포에서는 다른 세포와의 상호작용을 위한 단백질이 분비된다”며, “그만큼 이들의 성장환경 자체가 세포에 매우 중요하다”고 설명했다.

2D 세포배양, 세포 기능 저하 등 제약 많아

기존 세포배양 연구는 2D 환경에서 진행돼 왔다. 그러나 이는 세포의 특성을 고려해볼 때 많은 제약이 있었다. 세포가 제대로 자라지 못하거나 세포 특유의 기능이 떨어지는 문제가 발생했기 때문이다. 연구진들은 콜라겐, 엘라스틴(Elastin), 피브로넥틴 등 생물학적 코팅이나 폴리-오르니틴(Poly-L-Ornithine), 폴리-라이신(Poly-Lysine) 등 화학적 코팅으로 세포성장에 적합한 생리적 환경을 조성하는데 노력해 왔다.

그러나 실제 세포의 생체환경은 생각보다 매우 복잡하다. 이로 인해 새롭게 주목받기 시작한 3D 세포배양의 가장 큰 장점은 체내와 유사한 환경을 제공할 수 있는 것이다. 즉, 2D 세포배양에 비해 세포가 자연스러운 형태를 가지고 있다. 인간의 신체조직처럼 입체적인 환경을 조성하기 때문에 세포의 활동성이 생체 내 환경과 거의 비슷하다는 것이 먼킷 총 이사의 설명이다.

3D 오가노이드, 3D 세포배양 기술 중 가장 주목받아

3D 세포배양 기술은 ▲하이드로겔 스캐폴드(Hydrogel scaffolds) ▲마이크로칩(microchips) ▲3D 오가노이드(3D organoids) 등으로 나눠진다.

하이드로겔 스캐폴드는 3D 세포배양에서 가장 많이 이용되는 기술이다. 3D 프린팅 기술로 제작된 가로, 세로, 높이 1,500㎛의 3D 프레임 안에 하이드로겔을 넣어 세포가 인체에 안정적으로 정착할 수 있는 환경을 제공한다.

마이크로칩은 약물 스크리닝을 위한 신장모델을 만든다. 네덜란드 생명공학기업 미메타스(Mimetas)가 개발한 ‘생체모방 장기 칩’(Organ-on-chip)은 약물에 대한 반응성을 시험하기 위한 것이다. 작은 칩 위에 혈관, 폐, 간 등의 장기세포를 올려 놓고 배양함으로써 인체와 유사한 생체환경을 제공한다.

그러나 최근 과학계에서 가장 주목을 받고 있는 세포배양 기술은 3D 오가노이드다. 이는 장기세포를 배양하거나 재조합해 만든 미니장기다. 2009년 네덜란드 한스 클레버(Hans Clevers) 박사는 생쥐의 장에서 얻은 줄기세포를 배양한 결과 실제 생쥐의 직장과 똑같은 세포가 3차원으로 자랐다는 것을 발견했다. 당시 과학계는 이 기술이 동물이나 사람을 대상으로 하는 실험 대체할 수 있을 것으로 보았다. 오가노이드는 인체 장기와 유사한 구조의 특성을 갖고 있어 인체에 더 근접한 결과를 얻을 수 있다는 것이 가장 큰 장점이다. 특히 암세포 오가노이드의 경우 암 환자가 특정 항암제에 어떻게 반응할지 더욱 정확하게 예측하도록 도움을 준다.

“도덕 및 법적 논의 필요”

미국 생명과학 전문 검색엔진 펍메드(PubMed)에 따르면 전 세계 오가노이드 관련 논문발표는 2010년 36건에서 2019년 1,263건으로 꾸준히 늘어나는 추세다. 지난 10년 간 40%가 증가한 셈이다. 국가별로 살펴보면 2019년 기준 미국이 387건으로 가장 많았으며 중국 135건, 독일과 일본이 125건, 한국이 41건이었다.

그러나 오가노이드와 관련된 실험은 아직 넘어야 할 산이 있다. 먼킷 총 이사는 “오가노이드 생산과정에서 변수가 많다”며, “많은 비용과 시간도 소요되기 때문에 이런 문제를 개선하기 위한 연구도 진행 중”이라고 설명했다. 일각에서는 오가노이드의 윤리적 문제도 조심스럽게 제기되고 있다. 부산대 의과대학 이승준 교수는 “인체조직은 비영리 목적으로 기증을 받지만 이에 대한 도덕 및 법적 논의도 필요한 상황”이라며 “치료제로 활용하기 위해 안전성에 대한 개념도 명확하게 규정돼야 할 것”이라고 강조했다.

[바이오타임즈=염현주 기자] yhj@biotimes.co.kr

염현주 기자 다른기사 보기