[지금은 과학] 인체 유래 폐 기도 '오가노이드'→질병 연구한다

[아이뉴스24 정종오 기자] 오가노이드를 통한 질병 연구에 새로운 전기가 마련됐다. 동물실험의 대안으로 각광받고 있는 오가노이드 기술은 인체 줄기세포와 장기 기원세포를 실험실 환경에서 3D 배양법을 활용해 만드는 미니 장기를 말한다.

김종일 교수(서울의대 유전체의학연구소), 이주현 교수(영국 케임브리지대), 정진행 교수(분당서울대병원)가 이끄는 연구팀이 2023년 인체 유래 폐 기도 오가노이드(Lung Airway Organoid)를 활용한 단일세포전사체 분석을 통해 최근 각광받고 있는 오가노이드의 줄기세포 분화도 연구와 질병 모델 가능성을 확인한 연구 결과를 발표했다.

연구팀은 총 27명의 기증자로부터 폐 오가노이드를 배양했다. 배양 방식에 따른 오가노이드의 분화도 차이를 확인하기 위해 단일세포전사체 분석을 진행해 오가노이드 단일세포지도를 데이터베이스화해 국내외 연구자들에게 공개했다.

폐 오가노이드의 질환 기전연구 모델로서의 활용성을 확인하기 위해 신종 코로나바이러스 감염증(코로나19) 바이러스를 다양한 변이별로 오가노이드에 감염시킨 후 일어나는 상피세포의 전사체 변화 등을 확인한 결과도 함께 공개했다. 전 세계 폐 오가노이드를 활용한 연구들에 중요한 데이터가 될 것으로 기대된다.

3D 배양법을 활용해 만드는 미니 장기인 오가노이드는 현재 장기별로 다양한 배양조건이 새롭게 발표되고 있다. 오가노이드의 장기 줄기세포 연구, 질병기전 연구 모델, 기증자별 맞춤의학 연구 등 다양한 활용도가 기대돼 빠르게 발전 중인 연구기법이다.

총 27명의 기증자로부터 장기 기원세포를 분리해내 성체줄기세포 유래 폐 기도 오가노이드를 제작해 ▲배양조건별 분화도 평가 ▲기증자 개인차 분석 ▲실제 조직과 오가노이드의 차이 ▲코로나19 바이러스를 이용한 감염질환 모델 평가까지 조건별로 유전자적 특성을 확인하기 위해 단일세포전사체 분석을 시행했다.

3D 배양조건으로 키워진 폐 기도 오가노이드가 기존 폐 상피 세포 연구에 많이 사용됐던 2D ALI(Air-Liquid Interface) 배양법과 비슷한 수준의 상피세포 분화도를 보이는 것으로 확인됐다. 줄기세포로 알려진 기저세포(Basal)부터 곤봉체 세포(Club), 배상 세포(Goblet), 섬모 세포(Ciliated)가 두 가지 배양 조건에 모두 존재함을 확인했다.

실제 조직 내에서 극히 적은 비율로 존재해 희귀세포로 분류되는 ‘ionocyte’, ‘pulmonary neuroendocrine’, ‘tuft cell’까지 모두 두 가지 배양 조건에서 존재했다. 분화도 분석을 통해 줄기세포로부터 희귀세포들까지의 분화 중간단계 세포의 전사체 분석 또한 가능했다.

희귀세포는 그 비율은 적은데 인체 내에서 항상성 유지에 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 이 때문에 해당 세포들의 분화도 연구는 앞으로 분화 유도 방법 개발 등 여러 활용성이 있을 것으로 평가된다.

연구팀은 수립된 오가노이드를 코로나19 바이러스를 비롯한 다양한 호흡기 바이러스 감염 모델로 활용했다. 코로나19 바이러스의 다양한 변종들을 포함해 인플루엔자 바이러스, 메르스 코로나 바이러스까지 오가노이드에 감염시켜 단일세포 전사체 분석을 진행했다.

그 결과, 폐 기도 오가노이드 세포에는 인플루엔자 바이러스에서 가장 높은 감염률을 보인 것을 확인했다.

이번 연구(논문명: A single cell atlas of in vitro multi-systems uncovers in vivo lineage trajectory and cell state in the human lung)는 우리나라를 대표하는 의생명과학 저널인 ‘Experimental & Molecular Medicine’ 최신호에 실렸다.