맨위로가기

장 오가노이드

"오늘의AI위키"는 AI 기술로 일관성 있고 체계적인 최신 지식을 제공하는 혁신 플랫폼입니다.
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.
목차

1. 개요

장 오가노이드는 실제 장기와 유사한 3차원 구조와 기능을 갖도록 개발된 세포 덩어리이다. 2차원 세포 배양의 한계를 극복하고 동물 실험을 대체하기 위한 연구의 일환으로 개발되었다. 장 오가노이드는 장 줄기세포를 이용하거나 배아줄기세포 및 유도만능줄기세포를 분화시켜 제작하며, 1차 조직 유래, 배아줄기세포, 유도만능줄기세포 유래 장 오가노이드 등으로 분류된다. 조직 발생 및 줄기세포 연구, 질병 모델링, 신약 개발, 유전자 치료 등 다양한 분야에 활용되며, 향후 배양 기술 발전과 다른 기술과의 융합을 통해 더욱 정교하고 활용도 높은 모델로 발전할 것으로 기대된다.

2. 오가노이드 제작 배경

기존의 세포 배양 방식은 주로 2차원의 평평한 플라스틱 배양접시 위에서 이루어졌다. 이러한 방식은 세포의 반응을 관찰하기는 용이하지만, 실제 생체 내 환경의 복잡한 3차원 구조와 다양한 세포 간 상호작용을 제대로 반영하기 어렵다는 근본적인 한계를 가지고 있었다.[1] 다양한 세포로 구성된 체내 환경을 모방하기 위해 최대 두 종류의 세포를 함께 배양하는 공배양(co-culture영어) 방식도 시도되었으나, 인체의 복잡한 구조와 기능을 모방하는 데에는 여전히 제한적이었다.[1]

한편, 생체 내 생명 현상을 연구하기 위해 오랫동안 동물 실험 모델이 활용되어 왔다. 그러나 인간과 실험 동물 사이에는 종간 차이가 존재하여 실험 결과를 인간에게 그대로 적용하기 어려운 경우가 많았다. 또한, 최근 동물권에 대한 인식이 높아지고 유럽을 중심으로 동물 실험에 대한 규제가 강화되면서 동물 실험을 대체할 새로운 연구 방법의 필요성이 더욱 커지고 있다.[1]

이러한 2차원 세포 배양과 동물 실험의 한계를 극복하고, 보다 인체와 유사한 환경에서 생명 현상을 연구하기 위한 대안으로 3차원 구조와 기능을 모방하는 오가노이드 기술이 주목받게 되었다.

3. 소장의 구조적 특성

인간의 장은 재생이 활발하게 일어나는 장기로, 장 상피는 끊임없이 교체된다. 장 상피는 내강(lumen) 쪽에 위치하며, 이를 계속해서 공급하는 장 줄기세포(intestinal stem cells, ISCs)와 분화된 4종류의 장 상피세포로 구성되어 있다.

분화된 4종의 상피세포는 다음과 같다.


  • 장 상피세포 (enterocytes): 장 상피에서 가장 높은 비율을 차지하며, 음식물 소화 및 영양분 흡수 기능을 담당한다.
  • 배상세포 (goblet cells): 점액을 분비하여 장 표면을 보호한다.
  • 장내분비세포 (enteroendocrine cells): 호르몬 유사 물질을 분비하여 소화 과정을 조절한다.
  • 파네스 세포 (paneth cells): 데펜신(defensin)과 같은 항균 펩티드를 만들어 분비함으로써 장내 미생물 환경 조절에 기여한다.


소장 상피 세포 구조: 장 줄기세포와 분화된 4종의 상피세포(장 상피세포, 배상세포, 장내분비세포, 파네스 세포)를 보여주는 모식도

4. 장 오가노이드 개발 및 역사

2009년 한스 클레버스 박사 연구팀은 최초로 장 오가노이드 배양 시스템을 확립했다.[1] 이 시스템은 기존 방법과 달리, 장 내부 줄기세포의 주변 미세 환경(niche) 구성 요소를 활용하여 마우스 및 인간의 Lgr5+ 장 줄기세포와 장 움(crypt)에서 추출한 상피줄기세포의 성장을 장기간 유지할 수 있게 했다.

Lgr5+ 장 줄기세포와 장 움 유래 상피줄기세포는 특정 성장 인자들이 포함된 배지와 생체 기질인 메트리젤(Matrigel) 지지체 안에서 3차원으로 배양된다. 주요 배지 성분으로는 Wnt(Frizzled/LRP 리간드), Noggin(BMP 저해 인자), R-spondin(Lgr4/5 수용체 리간드, Wnt 길항제로 작용), EGF(상피 성장인자) 등이 사용된다. 이 방식으로 배양된 장 오가노이드는 실제 소장의 구조를 모사하여, 장 움 유사(crypt-like) 및 융모 유사(villus-like) 도메인을 가진 3차원 구조를 재현한다. 또한, 줄기세포, 전구세포(progenitor), 그리고 분화된 다양한 세포 유형을 모두 포함한다.

5. 장 오가노이드의 종류

장 오가노이드는 유래하는 세포의 종류에 따라 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 하나는 실제 장 조직에서 분리한 성체 줄기세포를 이용하는 1차 조직 유래 장 오가노이드이고, 다른 하나는 배아줄기세포(ESC)나 유도만능줄기세포(iPSC)와 같은 다능성 줄기세포를 분화시켜 만드는 배아줄기세포 및 유도만능줄기세포 유래 장 오가노이드이다. 각 방식은 고유한 장단점을 가지며, 연구 목적에 따라 선택적으로 사용된다.

5. 1. 1차 조직 유래 장 오가노이드

마우스 장으로부터 LGR5+ 장 줄기세포를 분리하여 이용한다. 한스 클레버스 박사 연구팀이 개발한 특정 배지 조건과 메트리젤 안에서 장 오가노이드를 성공적으로 형성하였다. 이 방식은 장 오가노이드 외에도 LGR5+ 줄기세포를 포함하는 대장, 위장 및 간 오가노이드 형성에도 적용될 수 있다. 1차 조직에서 유래한 장 오가노이드는 실제 장 조직의 생리적 특성을 가장 잘 모사한다는 장점을 가진다.

5. 2. 배아줄기세포(ESC) 및 유도만능줄기세포(iPSC) 유래 장 오가노이드

이 방법은 배아줄기세포 (ESC)나 유도만능줄기세포 (iPSC)를 사용하므로, 얻기 어려운 1차 조직 시료를 직접 이용하지 않는다는 장점이 있다.[2] 하지만 유도만능줄기세포는 체세포로부터 역분화 과정을 거쳐야 하므로, 배아줄기세포를 사용하는 것보다 추가적인 단계가 필요하다. 유도만능줄기세포는 2006년 야마나카 신야 박사 연구팀이 개발했으며, 피부세포와 같은 체세포에 특정 유전자 4가지(Oct4, Sox2, Klf4, c-Myc)를 발현시켜 다능성을 갖도록 만든 것이다.[2]

배아줄기세포 및 유도만능줄기세포를 이용하여 장 오가노이드를 만들기 위해서는 단계적인 분화 과정이 필요하다. 먼저 세포를 Activin A로 처리하여 TGF-β 신호 전달을 자극하면 내배엽 (definitive endoderm)이 형성된다. 이후 FGF4와 WNT3A (또는 CHIR99021)를 처리하여 후장 (hindgut) 및 장세포(intestinal cells)로의 분화를 유도한다. 마지막으로 Noggin, R-spondin, EGF가 포함된 배지와 메트리젤을 이용하여 3차원(3D) 배양 환경에서 장 오가노이드를 형성시킨다.[3][4][5]

6. 장 오가노이드의 활용

장 오가노이드는 생체 내 장 조직과 유사한 3차원 구조와 기능을 모방하여 만들어진 세포 집합체로, 기초 생물학 연구부터 의학적 응용에 이르기까지 폭넓은 분야에서 활용되고 있다. 주요 활용 분야는 다음과 같다.


  • 조직 발생 및 줄기세포 생물학 연구: 장의 형성 과정과 장 줄기세포의 분화 및 유지 메커니즘을 연구하는 데 사용된다.
  • 질병 모델링 및 메커니즘 연구: 염증성 장질환, 감염성 질환, 암 등 다양한 장 질환의 발병 기전을 이해하고, 질병 모델을 구축하여 연구하는 데 활용된다.
  • 신약 개발 및 약물 스크리닝: 새로운 치료제의 효과와 독성을 평가하고, 환자 맞춤형 약물을 개발하기 위한 플랫폼으로 이용된다.
  • 유전자 치료 및 재생의학: 유전자 편집 기술을 통해 유전 질환을 교정하거나, 손상된 장 조직을 대체하기 위한 세포 치료제로 개발될 가능성을 탐색하는 데 사용된다.

6. 1. 조직 발생 및 줄기세포 생물학 연구

체계적인 세포 분화 과정을 통해 만들어진 장 오가노이드는 조직 발생 연구에 활용될 수 있다. 특히, 3차원 장 오가노이드 배양법과 세포 표지(cell labeling), 클론 분석(clonal analysis) 기법을 결합하면 줄기세포의 동적인 상태 변화를 연구하기 용이하다.[6] 구체적인 연구 사례는 다음과 같다.

  • 장샘(intestinal crypt)에 존재하는 Lgr5+ 장 줄기세포의 분열 방식과 이들 세포 군집이 어떻게 유지되는지에 대한 연구[7][8]
  • 파네스 세포(Paneth cells)가 고갈되었을 때 Lgr5+ 장 줄기세포가 손실되는 과정에 대한 연구[9]

6. 2. 질병 모델링 및 메커니즘 연구

환자의 장 줄기세포로부터 생성된 오가노이드는 CRISPR/Cas9 유전자 편집 기술을 이용하여 질병 모델링이 가능하며, 장 질환에 관련된 세포의 메커니즘을 연구하는 데 사용될 수 있다.[10]

  • 세포증식 및 세포사멸 메커니즘 연구: 크론병(Crohn`s disease), 궤양성 대장염(Ulcerative colitis), 소아 지방변증(Coeliac disease) 등과 같은 질환과 관련된 세포 수준의 메커니즘을 연구하는 데 활용된다.[11]
  • 암 메커니즘 연구: 장 오가노이드를 이용하여 암의 발생 및 진행 과정을 연구할 수 있다.[12][13]
  • 숙주-미생물 간의 상호작용 연구: 장 오가노이드의 내부 공간(내강, lumen)에 병원성 박테리아를 주입하는 감염 모델(enteric infection)을 이용하여, 인체와 장내 미생물 사이의 복잡한 관계를 연구한다.[14]

6. 3. 신약 개발 및 약물 스크리닝

3차원 환경에서 다양한 조건으로 약물 스크리닝을 진행할 수 있으며, 환자에게서 얻은 오가노이드를 활용하여 환자 개인에게 맞는 맞춤형 치료법을 개발하는 데 중요한 자원으로 사용될 수 있다.[15]

6. 4. 유전자 치료 및 재생 의학

CRISPR/Cas9 유전자 편집 기술을 이용하여 유전자를 교정하고, 이를 통해 만들어진 오가노이드를 동종 이식하는 방식으로 유전 질환을 치료하려는 연구가 진행되고 있다.[16][17] 또한, 이러한 기술은 손상된 장 조직을 재생하는 재생의학 분야에서도 활용될 가능성을 보여준다.

7. 향후 개발 및 적용

현재 오가노이드 기술은 개체 발달 과정을 모방하여 다양한 세포 유형이 패턴화되고 구조화되어 실제 생체 내 생리 활성과 유사한 환경을 제공한다는 장점이 있다. 그러나 현재 개발된 장 오가노이드는 유전자 발현 패턴이나 기능적인 측면에서 아직 성숙하지 않은 태아의 장과 유사한 특성을 보이는 한계를 지닌다.

이러한 한계를 극복하기 위하여, 배양 방법을 성체 조직의 특성에 더 가깝게 수정하고, 보다 정제된 세포외기질(ECM)을 개발하려는 연구가 진행되고 있다. 이러한 기술적 진보가 이루어진다면, 앞으로 훨씬 정교하고 재현성 있는 장 오가노이드 배양 모델이 등장할 것으로 기대된다. 또한, 장 오가노이드 기술은 CRISPR/Cas9 유전자 편집 기술이나 3D 프린팅과 같은 최신 기술과 결합하여 시너지 효과를 창출하고, 이를 통해 더욱 다양한 기능 구현과 응용 분야 개척이 가능해질 것으로 전망된다.

참조

[1] 논문 Single Lgr5 stem cells build crypt-villus structures in vitro without a mesenchymal niche http://www.nature.co[...] 2009-03-29
[2] 논문 Induction of Pluripotent Stem Cells from Mouse Embryonic and Adult Fibroblast Cultures by Defined Factors http://linkinghub.el[...] 2006-08
[3] 논문 Directed differentiation of human pluripotent stem cells into intestinal tissue in vitro http://www.nature.co[...] 2010-12-12
[4] 논문 Generating human intestinal tissue from pluripotent stem cells in vitro http://www.nature.co[...] 2011-11-10
[5] 논문 An in vivo model of human small intestine using pluripotent stem cells http://www.nature.co[...] 2014-10-19
[6] 논문 In vitro and in vivo imaging and tracking of intestinal organoids from human induced pluripotent stem cells https://www.ncbi.nlm[...] 2018-01
[7] 논문 Intestinal Crypt Homeostasis Results from Neutral Competition between Symmetrically Dividing Lgr5 Stem Cells http://linkinghub.el[...] 2010-10
[8] 논문 Quantification of Crypt and Stem Cell Evolution in the Normal and Neoplastic Human Colon http://linkinghub.el[...] 2014-08
[9] 논문 Paneth cells constitute the niche for Lgr5 stem cells in intestinal crypts http://www.nature.co[...] 2010-11-28
[10] 논문 Long-term Expansion of Epithelial Organoids From Human Colon, Adenoma, Adenocarcinoma, and Barrett's Epithelium http://linkinghub.el[...] 2011-11
[11] 논문 Ex vivo culture of intestinal crypt organoids as a model system for assessing cell death induction in intestinal epithelial cells and enteropathy http://www.nature.co[...] 2014-05
[12] 논문 Transgenic expression of oncogenic BRAF induces loss of stem cells in the mouse intestine, which is antagonized by β-catenin activity http://www.nature.co[...] 2014-08-11
[13] 논문 Tumor Organoids as a Pre-clinical Cancer Model for Drug Discovery https://www.ncbi.nlm[...] 2017-09-21
[14] 논문 A small intestinal organoid model of non-invasive enteric pathogen–epithelial cell interactions http://www.nature.co[...] 2014-08-13
[15] 논문 Drug discovery through stem cell-based organoid models http://linkinghub.el[...] 2014-04
[16] 논문 Functional Repair of CFTR by CRISPR/Cas9 in Intestinal Stem Cell Organoids of Cystic Fibrosis Patients http://linkinghub.el[...] 2013-12
[17] 논문 Functional engraftment of colon epithelium expanded in vitro from a single adult Lgr5+ stem cell http://www.nature.co[...] 2012-03-11


본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
모든 문서는 AI에 의해 자동 생성되며, CC BY-SA 4.0 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.
하지만, 위키백과나 뉴스 기사 자체에 오류, 부정확한 정보, 또는 가짜 뉴스가 포함될 수 있으며, AI는 이러한 내용을 완벽하게 걸러내지 못할 수 있습니다.
따라서 제공되는 정보에 일부 오류나 편향이 있을 수 있으므로, 중요한 정보는 반드시 다른 출처를 통해 교차 검증하시기 바랍니다.

문의하기 : help@durumis.com