[대한민국 희망프로젝트]〈728〉오가노이드

장 오가노이드
<장 오가노이드>

호흡과 혈액순환, 호흡 등 생체 기능을 몸속 장기가 여러 질병적 원인으로 인해 제 기능을 하지 못하는 경우가 발생합니다. 따라서 장기 기능 회복을 통해 생리 활성 기능을 유사하게 재현할 수 있도록 하는 '오가노이드'가 최근 이슈로 떠오르고 있습니다.

오가노이드는 유사 생체 장기를 의미합니다. 심장, 간, 신장, 췌장, 갑상선, 소화기관, 피부 등 신체와 동일한 구조로 만들어져 맞춤형 치료제 개발은 물론 동물 및 임상 실험을 대체할 수 있다는 점에서 4차 산업혁명을 이끄는 생명공학 분야에서도 가장 주목받고 있습니다.

오가노이드가 무엇이고 이를 위해 어떤 연구가 진행되고 있는지, 어떻게 활용될 수 있는지에 대해 알아보겠습니다.

Q:오가노이드란 무엇인가요.

A:오가노이드는 'Organ'(장기) 'Oid'(유사한) 두 단어가 합쳐진 장기와 유사한 무언가를 의미하는 개념입니다.

오가노이드를 이해하기 위해선 우선 줄기세포에 대한 개념적 접근이 필요합니다. 줄기세포는 여러 종류 신체 조직으로 분화할 수 있는 능력을 가진 미분화 세포로 배아줄기세포, 성체줄기세포, 역분화 줄기세포 세 가지 종류가 있습니다.

배아줄기세포는 배아 발생 과정에서 추출한 세포로 모든 조직 세포로 분화할 수 있지만 아직 분화하기 전 단계인 미분화 세포입니다. 성체줄기세포는 뼈나 장기 등 우리 몸속 특정 조직으로 분화할 수 있는 줄기세포로, 골수·제대혈·지방조직 등 모든 장기 및 조직에 분포하지만 배아줄기세포보다 분화 능력은 조금 떨어집니다.

마지막으로 역분화줄기세포는 성장이 완료된 체세포에 특정 유전자를 주입하는 것과 같은 인위적 자극을 통해 우리 몸속 모든 장기로 자랄 수 있도록 만들어진 세포입니다.

줄기세포는 인체 조직으로 분화할 수 있다는 점을 활용해 질병 모델로 제작하고 이에 대한 치료제 개발 목적으로 활용됩니다. 그러나 줄기세포는 실제 장기 기능을 수행할 수 없으며 세포 간 상호작용을 관찰하기 어렵다는 한계가 존재합니다.

한계 극복을 위해 고안된 것이 바로 오가노이드입니다. 오가노이드는 줄기세포를 3차원적으로 배양하거나 재조합해 만든 장기 유사체로, 우리 몸속 장기 기능과 구조적 특징을 모두 가진 줄기세포입니다.

즉 우리 몸속 장기를 구성하는 세포로 구성됐으며 해당 장기 구조와 유사하고 기능적 수행에 무리가 없는 세포 집합체를 오가노이드로 정의합니다.

Q:오가노이드는 어떻게 시작됐나요.

A:소장, 대장, 간, 췌장 등 성체줄기세포로부터 장기유사체를 배양한 네덜란드 후브레히트 연구소 한스 클래버스(Hans Clevers) 박사를 시작으로 오가노이드 분야가 개척됐습니다.

그는 생쥐 직장에서 얻은 줄기세포로 미니 내장을 만들고 이것을 오가노이드로 지칭했으며, 2013년에 이르러서 영국 케임브리지대 매들린 랭커스터 박사가 신경줄기세포로 뇌 오가노이드를 만들어냈습니다. 이후 미국과 일본 등에서 오가노이드 연구가 활발해지면서 심장, 위, 간, 신장, 췌장, 갑상선 등 11개 주요 신체 장기를 포함한 다양한 오가노이드가 만들어지고 있습니다.

Q:오가노이드를 어떻게 활용할 수 있나요.

A:오가노이드는 인간 장기와 매우 유사하다는 점에서 치료제 개발과 질병 모델 제작에 주로 활용됩니다.

질병 모델 제작은 지카바이러스 연구가 대표적인 사례입니다. 실제 2015년 남아메리카 등을 강타한 지카바이러스 원인은 오가노이드 활용을 통해 확인했습니다.

수백만명이 급속도로 감염되면서 전 세계적인 팬데믹 가능성이 있었던 지카바이러스는 특히 신생아에게 '소두증'이라는 치료 불가능한 기형증을 유발했기 때문에 당시 산모에게 공포의 대상이었습니다.

많은 연구진이 지카바이러스와 소두증 간 관계성을 밝히고자 했지만 인간을 대상으로 한 실험이 불가능해 연구 진전이 어려웠습니다. 그러나 인간 대뇌 발달 과정을 재현한 뇌 오가노이드가 실험에 사용되면서 지카바이러스가 뇌 줄기세포 성장을 저해한다는 사실을 밝혀냈습니다.

유아와 소아에게 설사를 유발하고 설사로 인한 탈수가 기절과 사망으로까지 이어지는 '로타바이러스'나 '노로바이러스'에 대한 연구도 오가노이드를 활용하고 있습니다.

바이러스 세포주가 없어 바이러스 배양을 통한 연구가 불가능했지만 오가노이드로 비슷한 환경을 제공하면서 폐 오가노이드를 이용한 호흡기세포융합바이러스 원인 유전자를 밝혀내기도 했습니다.

질병 모델 제작 외 재생 치료제 개발에 사용 가능합니다. 몸속 특정 부분이 망가졌을 경우 오가노이드를 이식함으로써 자가 재생을 유도하는 것입니다.

인공장기 제작에서도 활용할 수 있습니다. 보통 장기 이식은 면역거부반응 등 부작용이 우려되지만 오가노이드로 인공장기를 만들면 '개인 맞춤형'이 가능해 체내 거부 반응을 크게 줄일 수 있습니다.

신약 개발 등에 반드시 필요한 임상실험을 대체하는 기술에도 쓰일 수 있습니다. 이를테면 하나의 칩에 뇌, 심장, 폐, 간 등 오가노이드를 담아 인체를 대신하는 역할을 함으로써 실제 인체나 실험동물을 대상으로 한 연구를 대체할 수 있습니다.

최근에는 코로나19 주요 표적인 폐를 비롯해 뇌, 신장, 장, 간 오가노이드 등에 코로나 감염 모델을 만들어 바이러스 감염 기전을 규명하고 치료제를 개발하려는 연구가 주목받고 있습니다.

주최:전자신문 후원:교육부·한국교육학술정보원

[관련도서]

[대한민국 희망프로젝트]〈728〉오가노이드

◇'과학을 쉽게 썼는데 무슨 문제라도 있나요' 박종현 지음, 북적임 펴냄.

과학은 우리의 일상과 더욱 밀접해지고 있다. 과학기술 없이는 우리의 일상을 지속할 수 없을 정도로 말이다. 이 책은 과학기술시대를 살아가는 데 필요한 알짜배기 과학지식을 가볍게 읽기 좋은 일상 언어로 담아냈다. '과학이 알려주는 앞으로의 미래'를 주제로 오가노이드 등 전문용어로 가득했던 과학을 쉽게 체험하고 이해하면서 과학적 원리가 일상 및 사회와 유기적으로 연결됐다는 사실을 알 수 있게 해준다.

[대한민국 희망프로젝트]〈728〉오가노이드

◇'나는 뇌를 만들고 싶다' 선웅 지음, 이음 펴냄.

'미니 뇌가 점점 더 인간의 뇌와 같아지면 어떤 일이 일어날까?' 이 책은 최근 진행 중인 미니 뇌 만들기 프로젝트 면면을 소개한다. 오가노이드라는 용어 대신 미니 뇌라는 단어로 특징과 이론, 연구 과정, 고민을 쉬운 설명과 솔직함으로 내보인다. 왜 그리고 어떻게 미니 뇌를 만들려는지 그 과정을 통해 과학기술 발전이 어떻게 우리 스스로에 대한 이해를 바꾸어갈 수 있을지, 이해해 나가는 작은 단서들과 영감을 얻는 순간을 경험하게 된다.

대전=이인희기자 leeih@etnews.com