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장기 배양

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목차

1. 개요

장기 배양은 인공적으로 장기를 만들어 이식에 활용하는 기술을 의미한다. 2006년 인공 방광 이식 성공 사례를 시작으로, 턱뼈, 폐, 심장, 신장 등 다양한 장기 배양 연구가 진행되었다. 최근에는 돼지 배아를 이용한 인간 장기 배양 연구와 각막 이식 연구도 이루어졌다. 장기 배양 기술은 혈장 응고법, 한천 겔법, 뗏목 방법, 그리드 방법 등 다양한 방법론을 활용하여 연구되며, 장기 기증 부족 문제를 해결하고 면역 거부 반응을 줄이는 데 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 하지만, 시험관 내 배양 결과가 생체 내 연구 결과와 일치하지 않을 수 있으며, 윤리적, 사회적 논의가 필요하다는 한계점도 존재한다.

2. 현재 진행 상황

2006년 4월, 웨이크 포레스트 재생 의학 연구소(Wake Forest Institute for Regenerative Medicine)의 앤서니 아탈라(Anthony Atala)는 환자 자신의 세포를 이용해 인공 방광을 배양하여 7명의 환자에게 이식하는 데 성공했다.[4][5][16] 컬럼비아 대학교에서는 턱뼈, 예일 대학교에서는 폐, 미네소타 대학교의 도리스 테일러(Doris Taylor)는 박동하는 쥐의 심장, 미시간 대학교의 H. 데이비드 휴메스(H. David Humes)는 인공 신장 배양에 성공했다.[6][17]

누에 고치에서 추출한 견사는 심장 조직 생산을 위한 성장 스캐폴딩으로 성공적으로 사용되었다.[7] 심장 조직은 손상되면 재생되지 않으므로 대체 패치를 생산하는 것은 매우 중요하다. 이 실험에서는 쥐의 심장 세포를 사용하여 기능적인 심장 조직을 생산했다. 인간에게 치료법으로 적용하기 위해, 인간 줄기 세포를 심장 조직으로 변환하는 방법을 찾아야 할 것이다.[18]

2015년, 하랄드 오트(Harald Ott)는 쥐의 앞다리를 배양할 수 있었다.[8] 그는 현재 바이오 인공 심장, 폐, 기관 및 신장의 제작에 주력하는 Ott Lab에서 일하고 있다.[9]

2016년에는 인간 세포를 사용하여 복잡한 구조의 심장을 조립하는 또 다른 실험이 수행되었다. 그 심장은 결국 미성숙한 것으로 판명되었지만, 줄기 세포로 심장을 만드는 데 한 걸음 더 다가섰음을 증명했다.[10][11][19][20]

2017년 1월, 솔크 연구소(Salk Institute for Biological Studies)의 과학자들은 장기 성장에 중요한 DNA의 일부를 편집한 돼지 배아를 만드는 데 성공했다. 그런 다음 그들은 인간 줄기 세포를 돼지 배아 내에 주입하여 인간 DNA가 그 틈을 메우도록 했다.[12][13][21][22]

2022년 3월에는 BPCDX라는 각막 이식의 잠정적인 성공을 보여주는 연구가 발표되었는데, 이는 이식 후 상당한 조직 부착 및 숙주 세포 이동을 보였다.[14]

2. 1. 초기 연구 및 성과

2006년 4월, 웨이크 포레스트 재생 의학 연구소(Wake Forest Institute for Regenerative Medicine)의 앤서니 아탈라(Anthony Atala)는 환자 자신의 세포를 이용해 인공 방광을 배양하여 7명의 환자에게 이식하는 데 성공했다.[4][5][16] 컬럼비아 대학교에서는 턱뼈, 예일 대학교에서는 폐, 미네소타 대학교의 도리스 테일러(Doris Taylor)는 박동하는 쥐 심장, 미시간 대학교의 H. 데이비드 휴메스(H. David Humes)는 인공 신장 배양에 성공했다.[6][17]

누에 고치에서 추출한 견사는 심장 조직 생산을 위한 성장 스캐폴딩으로 성공적으로 사용되었다.[7] 심장 조직은 손상되면 재생되지 않으므로 대체 패치를 생산하는 것은 매우 중요하다. 이 실험에서는 쥐의 심장 세포를 사용하여 기능적인 심장 조직을 생산했다. 인간에게 치료법으로 적용하기 위해, 인간 줄기 세포를 심장 조직으로 변환하는 방법을 찾아야 할 것이다.[18]

2015년, 하랄드 오트(Harald Ott)는 쥐의 앞다리를 배양할 수 있었다.[8] 그는 현재 바이오 인공 심장, 폐, 기관 및 신장의 제작에 주력하는 Ott Lab에서 일하고 있다.[9]

2016년에는 인간 세포를 사용하여 복잡한 구조의 심장을 조립하는 또 다른 실험이 수행되었다. 그 심장은 결국 미성숙한 것으로 판명되었지만, 줄기 세포로 심장을 만드는 데 한 걸음 더 다가섰음을 증명했다.[10][11][19][20]

2017년 1월, 솔크 연구소(Salk Institute for Biological Studies)의 과학자들은 기관 성장에 중요한 DNA의 일부를 편집한 돼지 배아를 만드는 데 성공했다. 그런 다음 그들은 인간 줄기 세포를 돼지 배아 내에 주입하여 인간 DNA가 그 틈을 메우도록 했다.[12][13][21][22]

2022년 3월에는 BPCDX라는 각막 이식의 잠정적인 성공을 보여주는 연구가 발표되었는데, 이는 이식 후 상당한 조직 부착 및 숙주 세포 이동을 보였다.[14]

2. 2. 실크 활용 심장 조직 배양

2. 3. 줄기세포 기반 심장 개발

2. 4. 이종 장기 이식 연구

2017년 1월, 솔크 연구소의 과학자들은 장기 성장에 필수적인 유전자가 결손된 돼지의 배아를 만들었다.[21][22] 그들은 이후 사람의 줄기 세포를 그 돼지 배아 안에 도입하여, 그 결손 부분을 사람의 세포로 채워 사람의 세포로 이루어진 장기를 얻으려 했다.[21][22]

2. 5. 각막 이식 연구

2022년 3월에는 BPCDX라는 각막 이식의 잠정적인 성공을 보여주는 연구가 발표되었는데, 이는 이식 후 상당한 조직 부착 및 숙주 세포 이동을 보였다.[14]

3. 방법론

3. 1. 시험관 내 배양 (In vitro culture)

배아 기관 배양은 성체 기관 배양보다 비교적 용이하며, 혈장 응고법, 한천 겔법, 뗏목 방법, 그리드 방법 등이 사용된다.
혈장 응고법 (Plasma clot method)혈장과 배아 추출액을 혼합하여 응고물을 만들고, 그 위에 조직 조각을 올려 배양하는 방법이다. 일반적인 절차는 다음과 같다.

# 시계 접시에서 혈장 15방울과 배아 추출액 5방울을 섞어 혈장 응고물을 준비한다.

# 페트리 접시에 솜 뭉치를 놓고 시계 접시를 놓는다. 솜 뭉치는 접시에서 과도한 증발을 막기 위해 촉촉하게 유지한다.

# 시계 접시의 혈장 응고물 위에 작고 조심스럽게 해부한 조직 조각을 올려놓는다.

이 기술은 현재 수정되었으며 조직을 올려놓는 렌즈 페이퍼 또는 레이온 망을 사용한다. 그러면 뗏목으로 조직을 쉽게 옮길 수 있다. 과도한 액체를 제거하고 조직이 있는 망을 다시 신선한 배지 풀 위에 놓는다.
한천 겔법 (Agar gel method)아가로 굳힌 배지도 기관 배양에 사용되며, 이러한 배지는 평형 염 용액(BSS) 중 1% 한천, 닭 배아 추출액 및 말의 혈청이 7:3:3으로 구성된다. 혈청을 포함하지 않는 배지도 사용된다. 한천 배지는 배양하는 장기를 기계적으로 지지한다. 배아의 기관은 일반적으로 한천 위에서 양호하게 생육하지만, 성체의 기관 배양은 이 배지상에서는 배양할 수 없다.
뗏목 방법 (Raft Methods)이 방법에서는 배양체를 렌즈 페이퍼나 레이온 아세테이트로 만든 뗏목 위에 올려놓고, 이 뗏목을 시계 접시 안의 혈청 위에 띄운다. 레이온 아세테이트 뗏목은 4개 모서리에 실리콘을 처리하여 혈청 위에서 뜨도록 만든다.

마찬가지로 렌즈 페이퍼의 부유성은 실리콘 처리로 향상된다. 각 뗏목에는 보통 4개 이상의 배양체가 놓인다.

뗏목과 응고 기술을 결합한 경우, 배양체를 먼저 적절한 뗏목 위에 놓고, 그 다음 혈장 응고물 위에 올려놓는다. 이러한 변경을 통해 배지 교체가 용이해지고, 배양체가 액화된 혈장 속으로 가라앉는 것을 방지할 수 있다.
그리드 방법 (Grid Method)1954년 트로웰(Trowell)에 의해 처음 고안된 그리드 방식은 가장자리가 약 4mm 높이로 구부러진 25mm x 25mm 크기의 적절한 와이어 메쉬 또는 천공된 스테인리스강 시트를 사용한다.

골격 조직은 일반적으로 그리드 위에 직접 놓이지만, 샘이나 피부와 같은 부드러운 조직은 먼저 뗏목 위에 올려놓은 다음 그리드 위에 올려놓는다.

그리드 자체는 그리드까지 액체 배지로 채워진 배양 챔버에 넣고, 성체 포유류 기관의 높은 산소 요구량을 충족시키기 위해 O2와 CO2의 혼합물을 챔버에 공급한다. 원래 그리드 방식의 수정된 형태는 성체 및 배아 조직의 성장과 분화를 연구하는 데 널리 사용된다.

3. 1. 1. 혈장 응고법 (Plasma clot method)

혈장과 배아 추출액을 혼합하여 응고물을 만들고, 그 위에 조직 조각을 올려 배양하는 방법이다.

일반적인 절차는 다음과 같다.

# 시계 접시에서 혈장 15방울과 배아 추출액 5방울을 섞어 혈장 응고물을 준비한다.

# 페트리 접시에 솜 뭉치를 놓고 시계 접시를 놓는다. 솜 뭉치는 접시에서 과도한 증발을 막기 위해 촉촉하게 유지한다.

# 시계 접시의 혈장 응고물 위에 작고 조심스럽게 해부한 조직 조각을 올려놓는다.

이 기술은 현재 수정되었으며 조직을 올려놓는 렌즈 페이퍼 또는 레이온 망을 사용한다. 그러면 뗏목으로 조직을 쉽게 옮길 수 있다. 과도한 액체를 제거하고 조직이 있는 망을 다시 신선한 배지 풀 위에 놓는다.

3. 1. 2. 한천 겔법 (Agar gel method)

아가로 굳힌 배지도 기관 배양에 사용되며, 이러한 배지는 평형 염 용액(BSS) 중 1% 한천, 닭 배아 추출액 및 말의 혈청이 7:3:3으로 구성된다. 혈청을 포함하지 않는 배지도 사용된다. 한천 배지는 배양하는 장기를 기계적으로 지지한다. 배아의 기관은 일반적으로 한천 위에서 양호하게 생육하지만, 성체의 기관 배양은 이 배지상에서는 배양할 수 없다.

3. 1. 3. 뗏목 방법 (Raft Methods)

이 방법에서는 배양체를 렌즈 페이퍼나 레이온 아세테이트로 만든 뗏목 위에 올려놓고, 이 뗏목을 시계 접시 안의 혈청 위에 띄운다. 레이온 아세테이트 뗏목은 4개 모서리에 실리콘을 처리하여 혈청 위에서 뜨도록 만든다.

마찬가지로 렌즈 페이퍼의 부유성은 실리콘 처리로 향상된다. 각 뗏목에는 보통 4개 이상의 배양체가 놓인다.

뗏목과 응고 기술을 결합한 경우, 배양체를 먼저 적절한 뗏목 위에 놓고, 그 다음 혈장 응고물 위에 올려놓는다. 이러한 변경을 통해 배지 교체가 용이해지고, 배양체가 액화된 혈장 속으로 가라앉는 것을 방지할 수 있다.

3. 1. 4. 그리드 방법 (Grid Method)

1954년 트로웰(Trowell)에 의해 처음 고안된 그리드 방식은 가장자리가 약 4mm 높이로 구부러진 25mm x 25mm 크기의 적절한 와이어 메쉬 또는 천공된 스테인리스강 시트를 사용한다.

골격 조직은 일반적으로 그리드 위에 직접 놓이지만, 샘이나 피부와 같은 부드러운 조직은 먼저 뗏목 위에 올려놓은 다음 그리드 위에 올려놓는다.

그리드 자체는 그리드까지 액체 배지로 채워진 배양 챔버에 넣고, 성체 포유류 기관의 높은 산소 요구량을 충족시키기 위해 O2와 CO2의 혼합물을 챔버에 공급한다. 원래 그리드 방식의 수정된 형태는 성체 및 배아 조직의 성장과 분화를 연구하는 데 널리 사용된다.

4. 활용 분야 및 의의

배양된 장기는 다른 사람의 장기를 대체할 수 있는 대안이 될 수 있다. 대한민국을 포함한 선진국에서 이식이 가능한 장기의 가용성이 감소하고 있기 때문에, 인공 장기 개발은 장기 기증 부족 문제를 해결할 수 있는 중요한 방법이다.[15][23] 환자 자신의 줄기 세포를 사용하여 배양된 장기를 만들면 면역 거부 반응을 줄여 면역억제제가 필요 없는 장기 이식을 가능하게 한다.[15][23]

5. 한계점

시험관 내 장기 배양 결과는 생체 내 연구 결과와 항상 일치하지 않을 수 있다. 약물은 생체 내에서 대사되지만 시험관 내에서는 대사되지 않아 약물 작용 연구에 어려움이 있을 수 있기 때문이다. 배양된 기관을 사용한 실험 결과는 생체 내에서 대사되는 물질이 대사되지 않으므로, 생체 연구 결과를 신뢰하기 어렵다. 특히, 대한민국에서 임상 적용을 위해서는 추가적인 연구와 윤리적, 사회적 논의가 필요하다.

6. 대한민국 현황 및 전망

6. 1. 관련 연구 사례

6. 2. 윤리적, 사회적 고려 사항

참조

[1] 간행물 Cellular Aspects of Human Brain Tumors (Gliomas) https://www.scienced[...] Elsevier 1981-01-01
[2] 학술지 Human Organ Culture: Updating the Approach to Bridge the Gap from In Vitro to In Vivo in Inflammation, Cancer, and Stem Cell Biology 2017
[3] 학술지 Culturing murine embryonic organs: Pros, cons, tips and tricks https://www.scienced[...] 2016-04-01
[4] 뉴스 Lab-grown bladder shows big promise https://www.newscien[...] New Scientist 2006
[5] 학술지 Tissue-engineered autologous bladders for patients needing cystoplasty 2006-04
[6] 웹사이트 Already cultured organs to date (2011) http://ngm.nationalg[...] 2011-07-03
[7] 뉴스 Heart of silk: Scientists use silk from the tasar silkworm as a scaffold for heart tissue https://www.scienced[...] Max-Planck-Gesellschaft 2012-01-27
[8] 웹사이트 World’s first biolimb: Rat forelimb grown in the lab https://www.newscien[...]
[9] 웹사이트 Ott Lab: projects http://ottlab.mgh.ha[...]
[10] 웹사이트 Lab grown heart http://www.iflscienc[...]
[11] 웹사이트 Lab grown heart ref 2 http://www.popsci.co[...]
[12] 웹사이트 Human-pig embryos created by scientists in breakthrough for organ transplants https://www.telegrap[...]
[13] 웹사이트 Human-Pig Hybrid Created in the Lab https://web.archive.[...]
[14] 학술지 Tissue Engineering Strategies for Retina Regeneration 2021
[15] 웹사이트 Growing organs in the lab https://singularityh[...]
[16] 웹사이트 Lab-grown bladder shows big promise https://www.newscien[...] New Scientist 2006-04-05
[17] 웹사이트 The Big Idea: Organ Regeneration http://ngm.nationalg[...] National Geographic 2011-03
[18] 웹사이트 Heart of silk: Scientists use silk from the tasar silkworm as a scaffold for heart tissue https://www.scienced[...] Science Daily 2012-01-28
[19] 웹사이트 Beating Human Hearts Grown In Laboratory Using Stem Cells http://www.iflscienc[...] IFLScience
[20] 웹사이트 Scientists Grow Full-Sized, Beating Human Hearts From Stem Cells http://www.popsci.co[...] Popular Science 2016-03-17
[21] 웹사이트 Human-pig embryos created by scientists in breakthrough for organ transplants http://www.telegraph[...] The Telegraph 2017-01-26
[22] 웹사이트 Human-Pig Hybrid Created in the Lab—Here Are the Facts http://news.national[...] National Geographic 2017-01-26
[23] 웹사이트 Growing Organs in the Lab https://singularityh[...] Singularity Hub 2009-06-08


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