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▲ (왼쪽부터) 연세대 조승우 교수, 김수란 박사, 민성진 박사 (사진=연세대) |
‘미니 장기’라고도 불리는 오가노이드는 특정 장기 및 조직의 구조와 기능을 체외에서 매우 유사하게 재현할 수 있기 때문에 질환 기전 연구, 신약 및 재생 치료제 개발 등에 활발히 사용되고 있다. 현재 대부분의 오가노이드 배양은 쥐의 암 조직에서 추출한 매트릭스 소재에 의존하고 있다. 하지만 이러한 기존 소재는 동물 유래 병원균이 인체 내로 전이될 위험성이 있고 배치 간 차이로 인해 실험 결과의 재현성이 낮으며 비용도 상당히 고가이기 때문에 이를 통해 생산된 오가노이드의 활용도가 상당히 제한적이다. 게다가 암 조직과 정상 조직의 세포외기질 조성이 굉장히 다르기 때문에 암 조직에서 유래된 배양 지지체는 특정 장기 오가노이드를 위한 조직 특이적 미세환경을 제대로 제공할 수 없다는 한계가 있다.
연구진은 이러한 문제점을 해결하기 위해 오가노이드 형성을 유도하고 발달시킬 수 있으면서 기존 암 조직 유래 배양 소재를 대체할 수 있는 안전성 및 재현성이 뛰어난 새로운 배양 지지체를 개발했다. 위, 장 조직에 대한 탈세포 공정 최적화를 통해 위·장 조직 특이적 미세환경을 구현할 수 있는 장기 맞춤형 오가노이드 배양 지지체를 각각 제작하고 그 성능을 검증했다.
기존의 상용화된 오가노이드 배양 지지체는 거의 특정 당단백질 성분으로만 구성된 반면, 본 연구에서 제작된 위·장 오가노이드 맞춤형 배양 지지체에는 실제 위·장 조직에 풍부하게 존재하는 다양한 유형의 세포외기질 성분들이 고르게 존재함을 확인했다. 이러한 성분들은 해당 장기 오가노이드의 분화 및 발달에 큰 도움이 될 것으로 예측됐으며, 실제로 개발한 배양 지지체에서 오가노이드를 배양했을 때 기존 상용화된 배양 소재에서와 동등하거나 향상된 수준의 위·장 오가노이드가 각각 형성됐다.
또한 독성 평가 및 염증 반응 분석을 통해 안전성이 뛰어난 재료임을 검증했고, 배치가 달라져도 주요 세포외기질 성분의 차이가 크지 않음을 확인했다. 아울러 위·장 오가노이드 맞춤형 배양 지지체의 조직 특이적 및 연령 특이적 성분들이 오가노이드 발달에 미치는 영향을 확인할 수 있었으며, 이를 통해 오가노이드 배양에 중요한 핵심 세포외기질 단백질들을 선별할 수 있었다. 이 외에도 개발한 오가노이드 배양 지지체가 위·장 오가노이드의 장기 배양 및 이식 치료에도 효과적으로 활용될 수 있음을 검증하는 다양한 실험 결과들을 확보했다.
이번 연구를 통해 개발한 장기 맞춤형 오가노이드 배양 지지체는 기존 오가노이드 배양 소재의 문제점인 배치 간 차이로 인한 낮은 재현성, 안전성, 고비용 문제를 효과적으로 해결할 수 있다. 따라서, 기존 소재를 대체해 대규모 신약 스크리닝, 환자 맞춤형 질환 모델링 등 다양한 전임상 연구의 플랫폼 기술로 활용될 수 있을 것으로 예상된다.
그뿐 아니라 대부분의 기존 오가노이드 배양 소재가 외국 제품에 의존하고 있는 현실을 타개해 오가노이드 배양 소재의 국산화를 도모하고, 해외 시장 진출을 통해 고부가가치 창출이 가능할 것으로 보인다. 특히, 기존 암 조직 유래 배양 소재와는 달리 사람에게도 이식 가능해, 조직 재생을 위한 오가노이드 치료제 개발 및 이식 치료 플랫폼 구축 등 재생의학 분야에서도 광범위하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
연구는 한국연구재단 중견연구자사업 및 바이오·의료기술개발사업, 산업통상자원부 산업기술혁신사업, 연세 시그니처 연구클러스터사업 및 기초과학연구원(IBS) 나노의학연구단의 지원으로 수행됐다. 이번 연구 결과는 세계적인 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 3월 30일 게재됐다. 연세대 생명공학과 김수란 박사, 민성진 박사가 공동 제1저자로, 조승우 교수가 교신저자로 참여했다.
※ 논문정보
- 논문명 : Tissue extracellular matrix hydrogels as alternatives to Matrigel for culturing gastrointestinal organoids (2022년 3월 30일 발간, 2021년 IF=14.919)
- 주요 저자 : 조승우(교신저자, 연세대 생명공학과), 김수란(공동 제1저자, 연세대 생명공학과), 민성진(공동 제1저자, 연세대 생명공학과), 외 8명의 공동저자
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▲ 장기 맞춤형 탈세포 조직 유래 오가노이드 배양 지지체 제작 및 개발한 지지체에서 형성된 위 및 장 오가노이드 (자료=연세대) |
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