오가노이드, 신약개발 전임상 과정에서 중요성 커져
오가노이드, 신약개발 전임상 과정에서 중요성 커져
  • 나지영 기자
  • 승인 2020.05.23 18:00
  • 댓글 0
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오가노이드, 임상과정과 실험모델로 활용 증가
생체 외 장기모사체로 줄기세포 3차원 배양해 제작
장기간에 걸친 생체 외 배양 및 냉동으로 장기보존 가능

[바이오타임즈] 오가노이드(organoid)란 생체 외 장기모사체로 줄기세포를 3차원 배양해 만들어지며, 신약개발 임상 과정에서 실험모델로 활용된다. 신약은 효능과 안정성 검증에 높은 신뢰성을 가져야 하므로 임상 과정에서 투입되는 실험모델은 관찰 및 측정과 조작이 쉬워야 한다. 오가노이드는 생체 내와 생체 외 특성을 모두 가진 실험모델로 신약개발 임상 과정의 초기 단계인 질환 모델링부터 표적발굴 및 표적의 유효성 평가, 유효물질검색, 선도물질 발굴을 위한 유형성 및 독성평가까지 전임상에 활용할 수 있다.

출처: 게티이미지뱅크
출처: 게티이미지뱅크

 

배아줄기세포와 성체줄기세포 유래의 오가노이드로 구분

오가노이드를 직역하면 ‘소형 장기’다. 장기와 소체의 합성어인 셈이다. 하지만 소형 장기라고 해서 크기가 작은 장기를 뜻하는 건 아니다. 현재 오가노이드라 불리는 3차원 세포 배양체들은 대부분 장기 고유의 세포 계층과 조직 구조를 일부 재현하는 데 그친다. 즉, 장기의 역할을 대신할 수는 없다. 또한, 줄기세포가 크게 둘로 나뉘는 만큼 오가노이드도 배아줄기세포에서 유래한 오가노이드와 성체줄기세포에서 유래한 오가노이드로 구분된다. 현재 간, 위, 장, 폐, 망막, 뇌, 뇌하수체, 내이, 신장 오가노이드는 배아줄기세포로부터 만들어지고 간, 장, 췌장, 신장, 전립선, 자궁, 고한, 유선 오가노이드는 성체줄기세포로부터 만들어진다.

오가노이드는 불멸화하지 않더라도 배양액 조건이 잘 갖춰진다면 세포주처럼 장기간에 걸친 생체 외 배양 및 냉동으로 장기보존이 가능하다. 또한, 2차원으로 배양된 세포주와는 달리 3차원으로 배양된 전분화능 또는 다분화능 줄기세포는 자가복제와 비대칭 분열을 통해 조직 고유의 세포 계층 및 조직 구조 형성에 필요한 모든 세포를 만들어 내는 특징이 있다.

또한, 오가노이드에서 분리된 줄기세포에 유전적인 조작을 가한 뒤 이를 3차원으로 배양하면 구성 세포가 모두 유전적으로 변형된 오가노이드가 만들 수 있다. 다시 말해 생체 외 모델로서 세포주가 가진 이점을 고스란히 유지하면서도 생체 내 모델로서 장기의 특성을 일부 모사할 수 있다.

 

오가노이드, 감염병과 유전질환 모델링에 사용

감염병 연구는 병원체의 까다로운 배양조건 때문에 인해 종종 어려움에 봉착하게 된다. 사람 외 실험동물에는 감염되지 않거나 2차원으로 배양된 세포주와는 상호작용하지 않는 경우가 빈번하다.

대표적인 예로 헬리코박터 파일로리가 있다. 이 병원체는 사람의 위에 기생해 위궤양과 위암을 일으키는 것으로 잘 알려졌다. McCracken 등은 사람의 배아줄기세포로부터 사람의 위와 유사한 조직 구조를 가진 오가노이드를 만들었다. 이 오가노이드의 강(lumen) 내에 헬리코박터 파일로리를 주입하면 인체와 유사한 상호작용이 일어나는 것으로 확인되었다.

또한, 오가노이드는 특정 장기에 발생하는 유전 질환의 모델로도 활용된다. 환자 유래의 유도만능줄기세포나 조직검사, 혹은 수술 시 얻어진 조직으로부터 분리한 성체줄기세포를 이용해 오가노이드를 만들면 환자의 유전적 특징을 그대로 보유한 모델로 활용할 수 있다. 환자 유래의 오가노이드는 정상 오가노이드에 비해 신경상피의 발달이 제한적이며, 조숙한 신경 분화가 관찰된다. 또한, 정상 유전자를 도입하면 오가노이드의 소두증 표현 형질이 완화되는 것을 확인할 수 있다. 그 외에도 정신분열증, 자폐증, 파킨슨병에 대해서도 뇌 오가노이드를 이용한 질환 모델이 연구 및 제작된 사례가 있다.

한편, 2003년 AI-Hajj 등은 유방암 조직을 구성하는 다양한 세포 중 극히 일부만이 발암성이 있다는 사실을 알아냈다. 이 세포군은 자가복제를 통해 개체를 유지하며 비대칭 분열로 암세포를 생산하는데, 이러한 특징은 성체줄기세포와 유사하다. Sato 등은 사람의 정상 혹은 암 조직에서 유래한 세포들로부터 오가노이드 배양이 가능하다는 것을 증명했다.

 

오가노이드, 표적발굴 및 유효성 평가에 적합

출처: 게티이미지뱅크
출처: 게티이미지뱅크

질환 발생에 직접 영향을 주는 유전자나 단백질, 그리고 작용기관을 밝히는 일은 신약개발 과정에서 표적발굴의 필수적인 첫 단계다. 그러나 발병기전에 관한 정보가 불확실한 경우 새로운 표적발굴이 까다로워지기도 한다. 이러한 정보들은 사람의 신체에서 직접 얻어낸 게 아니다. 정보가 불확실한 이유는 임상 과정에서 보통 동물, 생체 외 실험모델, 세포, 혹은 사람을 대상으로 한 역학조사에서 도출된 간접적인 증거들을 기반으로 하기 때문이다.

오가노이드는 불멸화 과정 없이 3차원으로 배양된다. 따라서 기존의 세포 배양과 비교해 생체 내와 더욱 유사한 유전자 발현 양상을 보여준다. CFTR(Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator)의 경우 기존의 방법으로 배양된 장 상피세포들에서는 발현 및 활성이 거의 없었으나, 장 오가노이드에서는 장과 유사한 수준으로 발현 및 활성이 나타났다. 또한, 오가노이드는 유전자 조작이 기존 세포 배양보다 쉬워 표적의 유효성 평가에도 적합하다.

한편, 유효물질 발굴을 위한 물질검색은 크게 둘로 나뉘는데, 표적 기반 물질검색과 표현형 기반 물질검색이 있다. 표적 기반 물질검색은 이미 알려진 분자 표적의 생물학적 활성을 조절할 수 있는 저분자화합물, 혹은 생물의약품 발굴에 사용된다. 반면, 표현형 기반 물질검색은 질환과 관련된 물질의 생물학적 기능을 세포나 개체 수준에서 측정하는데, 이 과정에서 물질의 분자 표적이나 작용기작은 고려하지 않는다.

 

선도물질 발굴 위한 유효성 및 독성평가에도 효율적

유효물질 발굴의 다음 단계는 선도물질 발굴이다. 물질검색으로 얻어진 유효물질들은 다양한 농도에서 서로 다른 실험을 받게 된다. 이후 교차검증을 통해 유효성과 독성을 시험받는다. 최근에는 칩 안에 세포들을 오가노이드로 대체해 더욱 신뢰성 높은 모델을 만들려는 노력이 이어지고 있다. 장기는 그 자체만으로도 단순한 세포 덩어리가 아닌 다양한 기능의 조직들로 이뤄진 복합체다. 따라서 하부구조들이 장기 간의 상호작용에도 영향을 줄 수 있다. 오가노이드는 body-on-a-chip으로 정밀한 모사를 가능하게 한다.

오가노이드의 생체 유사성은 감염병, 암, 유전 질환 등의 정교함을 요구하는 질환 모델링과 발병 기전 연구에 도움을 준다. 이는 신뢰할 수 있는 분자 표적의 발굴로 이어진다. 또한, 유전자 조작의 용이성은 표적의 유효성을 평가하는 데 도움이 된다. 형광 단백질의 발현 등을 활용해 상태 변화를 쉽게 관찰할 수 있는 리포터 오가노이드도 개발할 수 있다.

오가노이드는 아직 세포주를 활용한 실험을 대체하거나 동물 실험을 획기적으로 줄일 수 있을 정도는 아니다. 하지만 생체 내 현상을 세포보다 한 단계 높은 수준에서 모사할 수 있는 실험모델로 활용되는 것은 분명하다. 이러한 특성으로 오가노이드는 신약개발 전임상의 모든 단계에서 기존 모델을 대체, 보완할 수 있는 새로운 실험모델로 빠르게 자리 잡을 전망이다.

[바이오타임즈=나지영 기자] jyna19@biotimes.co.kr


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