오태광의 바이오 산책 <44> 오가노이드(Organoid)의 활용 및 한계점과 대책 > News Insight

줄기세포로 만든 미니 장기인 오가노이드를 이용하면 효율적인 개인 맞춤형 신약 개발도 가능할 뿐만 아니라 미래에 일어날 수 있는 잠재적인 유해성을 예단할 수 있는 큰 장점이 있다. 특히, 질병의 원인을 잘 이해할 수 있는 질병 모델의 오가노이드로 인간 질병 세포 모델을 만들 수 있어서 유전자 치료나 재생의학 치료에 큰 도움이 될 가능성이 아주 크다. 하지만, 아직 까지는 모든 인간 장기에 대한 오가노이드를 형성시킬 수 있는 기술이 없어서 인체 장기 및 기관에서 발생하는 질병을 포함한 모든 비정상적인 상태를 정상화에 사용하기에는 한계점이 많다. 

개발된 오가노이드인 미니 장기로 질병 모델링, 신약 개발에 활용도가 높을 것으로 기대는 하지만, 개발된 오가노이드 주위의 미세 환경이 생체와 같이 구현되지 않아서 실제 장기와 같은 기능을 하지 못한다. 특히, 생체가 병원균을 포함한 외부생물로부터 방어하는 가장 중요한 기능 중 하나인 면역을 담당하는 세포가 존재하지 않기 때문에 독성에 대한 반응은 물론 염증, 감염 등에 반응하지 못하는 제한요소가 아직은 많아서 실제로 임상이 가능한 오가노이드 개발에는 더 많은 연구가 필요하다. 우선은 완전한 장기형태의 오가노이드를 만들 수 있는 배양 방법은 아직 개발되어야 한다. 세포 주위에 조성된 생체와 같은 미세 환경이나 면역세포, 신경 세포 등이 갖춰진 오가노이드 “장기유사체” 개발하기 위해서는 많은 기초적인 연구와 노력이 필요하다.

 < 오가노이드의 활용 >

 오가노이드는 줄기세포 치료제 등 기존 치료의 한계를 뛰어넘을 차세대 기술로 꼽힌다. 조직 재생을 통해 질환을 치료한다는 점에서는 줄기세포 치료제와 비슷하지만, 차이점은 줄기세포와는 달리 오가노이드는 실제 장기와 비슷한 다세포로 구성된 조직이라는 점이다. 단일 세포인 줄기세포에 비해 재생 및 정착 능력이 훨씬 뛰어나서 치료 효과와 치유속도가 빠르다. 오가노이드를 치료에 활용하는 사례는 많다.

첫 번째 예로는 신약 개발에 사용되고 있다. 기존에 흔히 사용하고 있는  실험동물을 이용한 약물 테스트에서는 발견되지 않았던 부작용이 실제 인간에게 발견되고 있다는 한계점을 오가노이드를 사용한 실험에서는 많이 극복할 수 있을 것으로 예상된다.특히, 생명윤리 논란에 중심에 있는 살아있는 동물을 사용한 임상실험 문제도 해결할 수 있어서 생명윤리 논란에서도 벗어날 수 있다.

두 번째는 오가노이드를 이용하면 개인 맞춤형 의약품 선정과 치료제 개발이 가능하다. 환자의 유전체 정보는 환자의 장기 오가노이드의 유전체 정보와 같아서 환자 개인의 맞춤형 약품을 선택할 수 있어서 효율적이고 적절한 치료가 가능하다. 환자의 오가노이드는 현재 기술로도 필요한 만큼 배양이 가능하여 다양한 약물치료를 할 수 있어 약물 농도, 개인 맞춤형 약물 용법뿐만 아니라 타 약품과 병용조합 치료제 선정도 가능하여 기금까지 할 수 없었던 각종 환자 맞춤형 치료제 개발이 가능하여 환자의 치료효율을 높일 수 있다.

세 번째는 환자에게 치료제를 사용할 시, 어느 정도 치료 효과와 치료과정을 미리 사용한 오가노이드로 예단(豫斷)할 수 있는 장점이 있다. 인간 발생과정 및 질병 발병 기전을 오가노이드를 사용하여 연구하면, 현재, 주로 사용하는 동물실험으로는 발견하지 못했던 인자를 찾을 수 있어서 약물 처리 후 모호한 한계점을 해결할 수 있어서 인체 유해성 또는 치료 상승효과를 쉽게 파악할 수 있다. 특히 인체 기관 간의 상호작용, 인체와 환경 간의 상호작용, 약물에 의한 영향 등을 기존 동물실험보다 간단하고 빠르게 파악할 수 있다. 질병의 진행 정도를 측정할 수 있는 데이터를 오가노이드 실험으로 쉽게 얻을 수 있어 치료 효과를 상승시킬 수 있다. 

네 번째는 질병에 관련된 세포 모델을 개발하여 질병의 원인을 쉽게 이해하고 재발을 막거나 효율적인 예방을 할 수 있는 방법을 만들 수 있다. 유전자 편집기술로 전 분화능 줄기세포에 있는 질환 관련 유전자를 유전자 가위로 제거한 돌연변이 세포로 만들어진 오가노이드를 활용하여 각기 다른 표현형 오가노이드를 만든다면, 병발 된 환자 오가노이드와 비교하여 질병 원인과 기전을 아주 쉽게 분석할 수 있게 된다. 만약 인간 질병의 복잡한 모델을 구현하는데 오가노이드가 사용될 수 있으며, 질병 모델링 오가노이드를 임상에 사용하면 궁극적으로 장기 대체 치료법(Organ replacement therapy) 개발이 가능하다. 즉, 오가노이드를 형성시켜서 인체 내에 이식한다면 장기기능을 재현시킬 수 있는 연구로 확대할 수 있게 된다. 특정 질병 치료제 개발에 가장 어려운 점은 적합한 실험 모델, 질병 모델 동물이 없기 때문인데, 조직 특이적 오가노이드를 통해 새로운 질병 모형화가 가능해져서 효율적 치료제 개발이 가능하다. 

다섯 번째 생물이 성장하는 분화 연구하는 발달 생물학 연구에 오가노이드가 모델로 사용하게 되면, 지금까지 궁금해하는 유도만능줄기세포 분화 방향을 결정하는 요인을 파악할 수 있게 된다. 이렇게 되면 원하는 분화 방향으로 배양할 수 있게 되어서, 장기의 특정한 하위 특징을 재현할 수 있게 되어 배아 시기부터 분화하여 장기가 형성되는 과정을 이해할 수 있게 되어 분화 방향을 조절할 도 있게 된다. 이런 오가노이드의 배양 특성을 활용하여 독일의 뒤셀도르프 대학병원에서는 인간의 유도만능줄기세포로 뇌 오가노이드에 초기 단계 눈인 원시적인 안배(Optic cup, 眼杯)를 발생시키는데 그림 1과 같이 성공하였다. 

눈은 뇌와 관련된 매우 밀접한 감각 기관으로 발생 초기에 뇌 일부가 움푹하게 들어가 형성된 안포 (Optic vesicle)에서 형성되고, 안포가 발달한 것이 안배로 망막과 렌즈가 될 부분이 분화하기 시작한다. 따라서 단순히 움푹 파인 구조가 아니라 눈 같은 동그란 구조물이 생깁니다. 안배는 상당히 복잡하게 분화한 구조물이라 기존의 뇌 오가노이드에서 완전하게 발생을 성공한 적이 없었다. 연구팀은 새로운 프로토콜을 이용해서 발생 30일째 안배의 초기 구조물을 만들고, 50일에는 완전한 형태의 안배를 발생시키는 데 성공했습니다. 연구팀의 프로토콜은 314개의 오가노이드에서 72%의 성공률을 보여 매우 재현율이 높아 앞으로 뇌와 눈의 발생 연구나 관련된 약물 테스트 등 여러 가지 연구에 큰 도움이 될 것이다.

<오가노이드 연구한계점과 대책>

 1) 오가노이드 다양성과 실제 사용

 오가노이드의 다양한 연구 결과가 발표되고 있지만, 여전히 모든 인간의 장기에 대한 오가노이드를 만들지 못하는 한계성이 있다. 개인 맞춤형 의약품에 사용하는 오가노이드는 파급효과가 크지만 기존 약물 평가의 패러다임을 바꿀 수 있는 환자의 임상에 사용을 위한 정확한 규정이 정립되지 않아서 현재 사용에 문제점이 많다. 오가노이드는 크기가 너무 작고 생체조직처럼 불투명하여 내부관찰이 어려워 조직구조를 분석하는 공 초점 레이저 현미경(Confocal laser scanner microscopy)을 사용하더라도 3차원 이미지를 얻는데 많은 시간(수 시간)이 필요하다. 정확한 연구를 위해서는 투명한 오가노이드의 개발이 필요하고, 이렇게 되면 오가노이드 내부를 동시에 분석할 수 있어서 약물 스크린에 쉽게 활용할 수 있게 된다. 활용도가 높을 것으로 예측하는 오가노이드도 생체에 근접하기 위해서는 당쇄 단백질과 같은 점액세포와 같은 미세 환경이 생체처럼 형성되어야 하는데 그렇지 못하고 특히, 중요한 면역세포는 아예 존재하지 않아서 약물 반응, 감염 및 염증반응과 같은 생체 모형화는 아직도 더 많은 연구가 필요하다.

 2) 오가노이드 배양법과 크기

 완전한 형태의 오가노이드 배양을 위해서는 산소와 영양공급, 노폐물 배출까지 가능한 관류 시스템과 혈관 내피세포의 동시 배양, 혈관 오가노이드와의 융합 기반 배양법이 필요하다. 현실적 대안으로 미세유체기술(Microfluidics)과의 융합을 실제로 많이 시도하고 있다. 오가노이드를 미세유체기술을 접목한 생체모방 장기 칩(Organ-on-a-chip)과 다중 장기를 관류 시스템으로 연결한 생체모방 인체 칩(Body-on-a-chip) 시스템을 활용하고 있다. 

하지만 오가노이드는 실제 장기와 일치하는 세포로 구성되어 있기는 하지만, 장기의 실제 거대 구조의 재현이 되지 않아서 여전히 한계성이 있다. 생물 공학적인 방법으로 효율적 오가노이드를 구성하기 위해서는 줄기세포를 직접 수정하고 점액 및 면역세포와 같은 미세 환경을 인위적으로 제어할 뿐만 아니라 생물 공학적 시스템 안에서 세포의 자가 조직화와 계통 분화를 시공간적으로 총괄 제어할 수 있어야 하는데 현재 기술로는 실현이 어렵다. 

대부분의 오가노이드는 혈관을 통한 영양분 공급 대신 전적으로 배양 배지에 의존한 배양법을 사용하기 때문에 오가노이드 크기가 제한적으로 작은 것으로 추정한다. 크기/형태와 기능 면에서 이식 가능한 수준으로 향상된 오가노이드를 만들기 위해서는, 배양법의 최적화 및 규모 확장이 매우 필요하다. 바이오 프린팅(Bioprinting) 기술이 배양 환경 개선의 새로운 대안을 제시해 줄 수 있을 것이다. 상용화된 3D Matrigel 배지를 이용한 배양 시스템은 오가노이드 기반 플랫폼의 응용과 임상적 활용에 제약이 되고 있다.

3D Matrigel 배지에서는 성장인자 및 신호전달 물질의 생체 내에서와같이 적용되기 위해서는 농도 구배 효과가 재현해야 하는데, 문제점이 있고, 약물의 침투에도 물리적인 장벽이 있다. 이를 극복하기 위해 하이드로젤 기반 기질이 대체 제로 현재 연구하고 있다. 최근, 완전히 규명된 합성 하이드로젤(PEG-4MAL hydrogels)을 통해 성공적인 장 유사 장기 배양과 대장 조직 손상 치료 효과를 검증한 연구는 주목할 만하다.

 3) 암 오가노이드

 환자의 암 오가노이드는 정상 배양법으로 가능한데, 배양 조건은 이질적인 종양세포 중 특정 세포군 생장에만 적합한 조성일 수 있다는 큰 단점이 있다. 오가노이드 배양 조건의 최적화를 위해 틈새(Niche, 미세 환경) 인자에 대한 기초 생물학의 이해가 아직 부족하여 더 많은 연구가 필요한 부분이다. 단지 외과적 수술로 확보되는 환자조직 생체검사(Biopsy)는 오가노이드 배양의 재원으로 부족하지만, 복수, 흉막 침출액과 혈액 내 순환 종양세포는 ex vivo 오가노이드 배양의 주요 재원으로서는 충분한 가치가 있다. 오가노이드 기반 플랫폼으로 선별된 약물의 임상 적용을 높이기 위해서는, 현재 플랫폼에서 간과된, 암과 기질 간 상호작용을 고려한 약물 반응을 추가로 검증하는 것이 필요하다. 

 4) 생명윤리 문제

 오가노이드 바이오 뱅킹(Biobanking)도 유익한 점이 많은데도 불구하고 생물윤리 문제가 제기되고 있다. 기존의 인체 조직은 비 상업적인 목적의 기증으로 확보되었으나, 오가노이드 기술의 발전으로 임상적 가치의 상승으로 상업적 목적으로의 개발에 관심이 높아지면서, 인체 조직 기반 오가노이드 바이오 뱅킹에 대한 도덕적, 법적 논의가 필요한 상황이다. 오가노이드 바이오 뱅킹의 성공적인 정착과 활용을 위해서는 바이오 뱅킹 참여자의 권리가 침해되지 않으면서 임상적, 과학적 사회적 가치에 대한 제고가 필요할 것이다. 또한 in vitro에서 증식한 줄기세포를 치료제로 활용하기 위해서는 안전성에 대한 개념이 명확하게 규정되어야 하고, 배양한 오가노이드를 이식하는 효과적인 방법 또한 개발되어야 할 것이다. 

<맺는말>

 오가노이드는 다른 첨단바이오 기술과 마찬가지로 마치 마법의 치료제처럼 등장하였지만, 아직은 겨우 기초 임상 결과를 발표하고 있고, 앞으로 해결해야 할 문제점은 아주 많다. 사실 첨단바이오 기술의 가장 큰 문제점은 생명 윤리 문제의 해결인데, 많은 연구와 노력이 필요하다. 또한, 기존의 개인 맞춤형 의약품이 개인 맞춤형을 충족시키기 위해서 공공이 아닌 개인에 맞는 수많은 연구와 결과가 필요하여 엄청난 비용 때문에 보험을 적용하더라도 엄청난 치료비가 든다는 큰 문제점이 있다. 

기존의 오가노이드를 배양하는 3D Matrigel 배지는 고가이어서 상용화에는 어려움이 많고 현재 단지 연구용으로 사용하는데 만 허용되고 의약품으로 생산/사용할 수 없다. 저렴하고 안전성이 확보된 새로운 배지의 개발도 필요하다. 아직은 역 분화한 만능유도 줄기세포에서 필요로 하는 장기 오가노이드로 분화가 가능하게 하는 분화기술개발이 필요하다. 연구용으로 개발되어 사용하고 있는 오가노이드가 인체에 사용하기 위해서는 암을 발생하는 종양 위험성이 완전히 제거된 인체용 오가노이드 생산 기술이 필요하다. 

인체에 쓸 수 있는 오가노이드 제작 기술을 갖춘 곳은 세계적으로 일본 도쿄의대 와타나베 마모루 교수, 미국 신시내티대의 제임스 웰스 교수 등으로 손에 꼽히고 있다. 실제 지금까지 장 오가노이드를 사람 치료에 쓰겠다는 계획을 밝힌 과학자는 이들이 전부다. 미국 유럽 등에서 진행 중인 오가노이드 임상은 대다수가 치료제 개발용 임상이 아니다. 오가노이드 자체가 유효한지를 동물실험으로 확인하는 비임상 수준에 그치고 있다. 더 많은 연구로 인체가 자유롭게 안정성이 확보된 오가노이드 개발과 생명윤리에 저해되지 않고, 모든 사람이 질병 치료나 재생회복에 저렴하게 사용될 수 있는 날을 기대한다.

<ifsPOST>