(바이오타임즈=나지영 기자) 승인 2020.05.23 18:00
▲ 게티이미지뱅크
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.