생명윤리적 문제와 높은 비용 문제가 동반됐던 동물실험을 축소 혹은 대체할 수 있는 가능성이 열렸다.
포스텍(포항공대) 김동성 교수 연구팀과 울산과학기술원(UNIST) 박태은 교수 연구팀이 공동으로 ‘오가노이드 대량 생산 플랫폼’을 개발했다. 오가노이드(Organoid)란 줄기세포를 3차원적으로 배양 또는 재조합해 만든 것으로, ‘장기 유사체’ 혹은 ‘미니 장기’로도 불린다.
재현성 낮아 대량 생산 한계
오가노이드는 실제 장기와 유사한 기능을 수행하는 3차원 구조체다. 인간 장기의 발달, 장기에 발생하는 질병의 모델링, 약물 개발 및 독성 검사, 재생 의학 연구, 개인 맞춤형 치료법 개발 등 다양한 분야에서 주목받는 기술이다. 그만큼 산업적으로 많은 수요가 존재한다.
하지만 오가노이드를 생산하는 기존 기술로는 이를 충족시킬 수 없었다. 가장 큰 문제는 비균질성과 낮은 재현성이다. 오가노이드는 기본적으로 세포를 배양해 3차원 구조를 형성하는 방식으로 만들어진다. 즉, 세포를 어디서 확보했는지, 그리고 배양 조건이 어떤지가 매우 중요하다.
각 세포마다 최적의 조건이 다르기 때문에 그에 맞춰 배양 매체와 환경이 미세한 수준에서 조절돼야 하는 ‘맞춤형 배양’이 기본이기 때문에 대량 생산이 쉽지 않다. 아주 미세한 차이로도 배양 결과물이 다르게 나타날 수 있으며, 이 때문에 같은 장기를 모사한 오가노이드라 해도 그 특성이 서로 다를 수 있다. 실험 분야에서의 일관성, 즉 ‘재현성’이 낮아진다.
필요한 물질만 선택적 투과
공동 연구팀은 성숙한 오가노이드의 대량 생산이 가능한 플랫폼 ‘유니맷(UniMat)’을 개발했다. 이는 머리카락의 200분의 1 굵기에 해당하는 나노섬유를 활용, 3차원 멤브레인(얇은 막)을 구현한 것이다. 이를 통해 오가노이드가 균일하게 형성될 수 있는 구조적 환경을 제공한다.
이 얇은 막은 물질 투과성을 가져 오가노이드의 분화에 필요한 인자와 성숙에 필요한 영양분을 효율적으로 공급할 수 있도록 설계됐다. 이는 오가노이드 분화에 변수가 될 수 있는 요건을 통제하고, 필요한 물질만 선택적으로 통과시킨다는 점에서 ‘혈뇌장벽’과 유사한 메커니즘이라 할 수 있다.
줄기세포가 각각의 장기로 분화하는 데 최적화된 조건을 멤브레인 형태로 구현하고, 그 과정에 영향을 미칠 수 있는 요인을 통제하는 구조적 환경이 유니맷의 핵심이다. 이를 통해 오가노이드의 균일한 형성 및 성숙을 가속화할 수 있다.
인간 신장 대량 생산 성공
공동 연구팀은 유니맷을 통해 인간 유도만능줄기세포로부터 인간의 신장(Kidney)과 유사한 네프론 구조 및 혈관이 형성된 신장 오가노이드를 일관된 품질로 생산하는 데 성공했다. 생산 효율 또한 크게 개선됐다. 한편, 유니맷을 활용해 다낭성 신장 질환 모델을 구축하고, 이를 통해 질병 모델링 및 약물 평가 가능성이 있다는 것도 확인했다.
이는 향후 일관된 품질의 오가노이드를 기존에 비해 대량으로 생산할 수 있도록 하는 초석이 될 것으로 보인다. 또한, 임상 및 연구 현장, 제약 산업 등에서의 실질적 활용을 위한 발판으로도 볼 수 있다.
한편, 동물실험 후 임상시험 단계를 거치던 기존의 절차를 대체할 수 있는 가능성도 높아졌다. 오가노이드가 동물 모델에 비해 인간의 생리적 반응을 더 정확하게 반영할 수 있으며, 동물을 희생시키지 않아도 되므로 윤리적인 문제도 해결된다. 동물 모델을 사용함으로써 발생하는 높은 비용과 시간 소요 문제에도 해법을 제시할 수 있다.
이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 ‘바이오·의료기술 개발사업, 중견연구, 우수신진연구’ 지원을 통해 수행됐다. 연구 결과는 국제 학술지 「네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)」에 온라인 게재됐다.
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