배양기술 효율성 등이 관건
[바이오타임즈] 장기유사체 혹은 미니 장기라 불리는 오가노이드는 성체줄기세포(adult stem cell, ASC), 배아줄기세포(embryonic stem cell, ESC)나 장기 기원세포로부터 분리한 세포를 자가 재생 및 자가 조직화를 통해 형성된 3차원 세포집합체이다.
오가노이드는 자가조직화(Self-organization) 능력이 있어 일반적인 배양세포 보다 복잡한 생체의 장기를 모방할 수 있다. 따라서, 초기 장기의 발달, 조직의 상호작용, 질병의 발생 등 여러분야에서 3차원 모델로 활용되고 있다.
오가노이드 시장 규모는 지속적으로 증가할 전망이며, 2023년도에는 2,149억 달러(USD) 규모로 성장할 것으로 전망된다(BCC research, 2019).
암 연구에 다양하게 이용되어져
종양 오가노이드(Tumor Organoids)는 암의 개인별 맞춤의학을 위해 제작 되는데 동일한 환자의 암세포와 정상세포의 비교를 통해 암에 대한 신속한 평가를 가능하게 하며 면역항암제 분야에서 활용이 가능하다. 다양한 암단계에서 종양이 발생하는 매커니즘이 존재하는데 이 때 개인의 차이가 나타나며 이를 연구하기 위해 이용하게 된다. 오가노이드를 활용한 정확한 의학적 검사를 위해서는 변이율(mutation rate)과 종양 공격성 평가(Tumor aggressiveness evaluation)를 고려해야 한다.
더불어 CRISPR 기반의 유전자 편집기술은 암의 증식, 이동, 전이 등 중요한 암 발생 과정을 이해하는 데에 좋은 툴을 제공함에 따라 암 오가노이드의 활용을 촉진시킬 수 있다. 이를 기반으로 유전자 치료제 개발과 손상된 장기이식의 대안으로 인공장기 개발에 대한 가능성이 주목받고 있다.
또한, 오가노이드는 신약개발(Drug Discovery)에 효과적이다. 암 약물스크리닝은 전임상 단계에서 약물 후보 물질 선택을 가속화시킬 수 있으므로 신약후보군을 좀 더 빠르게 발굴할 수 있게 한다. 인체의 생리활성기능을 유사하게 재현할 수 있고, 환자의 조직으로부터 장기유사체를 구축함으로써 환자의 유전정보를 기반으로 한 질병 모델링, 반복시험을 통한 약물 스크리닝 등을 가능하게 함으로써 신약개발에 유용하게 활용되어진다.
암 생리학 연구(Cancer physiology research)와 암 임상시험 분야는 오가노이드를 활용할 수 있는 가장 전망 있는 분야이며, 오가노이드는 짧은 성숙 시간, 많은 제약의 병렬 테스트 가능성 및 실시간 약물에 대한 측정 가능한 용량 의존적 특징 때문에 암 연구에 적합한 시스템을 갖고 있다고 여겨진다.
암 오가노이드는 인체 상피세포의 암화 과정을 대부분 모사하지만, 그 외 암을 둘러싼 미세환경(tumor microenvironments)*까지 반영하지 못하고 있으므로 이러한 제한점을 해결하기 위해 섬유세포, 면역세포 등을 추가한 공배양 기술이 필요하다. 미세환경이란 암을 둘러쌓고 있는 주위 환경으로, 혈관, 면역세포, 섬유세포, 이를 포함하는 세포외 기질을 포함한다.
오가노이드의 미세환경 제어와 분석을 위한 칩(chip) 기술의 적용
오가노이드 기술이 바이오 의학의 새로운 영역으로 적용되기 위해서는 미세 환경의 생산, 제어 및 분석을 위한 혁신적인 엔지니어링 접근법이 필요하다.
특히, 칩은 미세유체 시스템을 통해 기관형성 과정 동안 일어나는 영양 및 산소 분배, 물리적 상호작용을 제공하여 성숙하고 제어 가능한 오가노이드 제작에 기여할 것으로 기대된다.
폐암 오가노이드 배양 세계 첫 성공
서울아산병원의 병리과 장세진 교수와 의생명연구소 김민서 박사팀이 지난해 환자의 폐암세포를 배양해 개인별 특성을 그대로 재현하는 오가노이드(장기유사체) 배양 기술을 확립했다. 또한, 항암제 개발 과정의 약물 유효성을 검증하는 전임상시험 단계에서 암 모델로서 매우 유용하다는 것을 증명했다(이투데이, 2019).
특히 연구팀은 정상세포는 억제하고 폐암세포만 선택적으로 키워 암 조직구조를 이루게 하는 오가노이드 배양기술 개발을 세계 처음으로 확립했다. 또 이를 활용한 바이오칩 약물평가 플랫폼도 함께 개발돼 환자들에게 맞는 맞춤형 항암제를 찾을 수 있게 되었으며 폐암 신약개발 과정에도 적극 활용할 수 있을 전망이다.
더불어 암 오가노이드를 빠르게 배양하고 연구에 활용할 수 있는 미세유체칩 원스톱 시스템도 개발했다. 이는 규격화된 암 오가노이드를 바이오칩 위에서 배양하고, 바로 항암제 평가 및 반응성 분석을 할 수 있는 키트화된 검사체계를 갖추었음을 의미한다.
향후 암 오가노이드 제작에 드는 고비용, 장시간 등 제작의 효율성 증대 방안과 효과적인 미세환경 구축기술이 암 오가노이드 활용에 중요한 요소가 될 것으로 전망된다.
