[국내연구팀 소개] 선웅 교수/다배엽성 오가노이드 제작 및 활용기술 개발 연구팀 고려대학교
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- 다배엽성 오가노이드 제작 및 활용기술 개발 연구팀
총괄연구책임자: 고려대학교 선웅 교수
1) 연구개요
- I. 필요성 및 한계점 : 생체 발생과정을 모사한 다배엽성 오가노이드 제작
- - 초기 줄기세포 활용기술은 이차원 배양을 통한 특정 분화 세포만을 제작하는 데 초점이 맞추어져 있었으나, 현재에는 다양한 세포들이 정교하게 구조화된 장기를 모사하는 삼차원 오가노이드를 제작하여 질환 모델링 및 재생 의학에 활용하는 방향으로 발전되고 있음.
- 현재 오가노이드는 각 배엽 중 한 방향으로만 분화를 유도하여 생산하거나, 성체 표적장기 유래 줄기세포를 이용하여 제작하는 것이 기본적인 방식이며, 이러한 방식으로는 단일배엽성 조직 성분만을 가진 오가노이드가 생산될 수 밖에 없으므로, 매우 복잡한 생체조직, 특히 뇌를 모사하는 데 있어서 많은 한계점을 가지고 있음.
- 뇌 오가노이드는 3차원 줄기세포집합체인 embryonic body에 신경계 유도인자를 처리해서 제작하는 것이 일반적임. 이러한 방법은 생체내 초기 신경 발달 과정을 반영하지 못하고, 신경외배엽 이외의 다른 배엽에서 유래한 세포를 만들 수 없는 단점이 있음. 그 결과, 앞뒤축과 등배축 없이 신경계통 조직이 무작위적으로 복잡하게 얽혀 있는 뇌오가노이드가 생성되며, 재현성이 현저히 떨어지게 됨.
- 발생학적 연구와 질병 모델에의 오가노이드 활용 가능성을 높이기 위해서는 보다 생체를 잘 모사하고, 재현성이 높으며, 정량적 분석이 가능한 오가노이드 제작 기술을 필요로 함. - II. 착안점 및 독창성 : 2차원 배엽유도 패터닝을 기반으로 극성화된 3차원 구조를 유도
- - 초기 인간 배발달 과정은 2차원적인 형태로 배열된 상태에서 배엽형성이 결정되므로, 이단계를 모사하는 시스템을 통하면 보다 정교하게 장기형성 과정을 제어할 수 있으며, 초기 배발생 과정부터 모사하므로 다배엽유래 오가노이드를 제작하는 것이 가능함.
- 본 과제의 오가노이드 제작 과정은 2차원 배아줄기세포 배양시스템에서 세포집단의 물리적 세포 부착 및 세포수를 미세패턴 기술을 활용하여 제어하고, 세포집단의 위치에 따른 차등적 반응성 및 이에 따른 신호 전달 체계의 차이점을 이용하여 정교하게 배엽 유도 패터닝을 조절하는 것이 가능함
- 이러한 2차원 시스템에서 배양한 세포콜로니를 기질로부터 분리, 3차원 배양시스템으로 전환함으로써, 2차원 배엽복합체를 극성화된 3차원 구조체로 유도함. 이러한 과정들을 정확히 제어함으로써 고차원적인 다배엽 유래 세포가 조직화된 재현성 높은 다배엽성 오가노이드를 개발할 수 있음 - III. 중요성 : 생체실험 대체 및 약물 유효성 평가, 질환 모델링에 활용 가능
- - 오가노이드 기술은 동물실험 대체 연구 모델 및 정밀의학적 연구 및 진단 시스템으로의 활용 가능성이 매우 증대되고 있으나, 현재까지 제작된 대부분의 오가노이드는 재현성과 정량적 분석에 있어서 어려움을 가지고 있음.
- 배발생은 단일세포층에서 세포간의 상호작용에 따른 미세한 세포 분화과정이 진행되면서 세분화된 세포집단이 3차원으로 구조화되는 과정인 바, 다배엽성 오가노이드는 삼차원 배양 조건에서 자가-조직화가 일어날 때 이미 서로 다른 세포끼리 상호작용을 하고 있음. 이에 따른 신호전달을 통해 발생학적 측면에서 실제 장기의 발생과 유사해질 뿐만 아니라, 통제하기 어려운 삼차원 조건 대신 보다 유리한 이차원 조건에서 패턴을 통제하기 때문에 실험의 재현성 및 정량적 유리함을 얻게 됨.
- 생체를 잘 모사할 수 있고, 제작에 있어서 재현성이 높은 다배엽성 오가노이드를 현재 대량 배양할 수 있는 배양 기술을 확립하고자 하는 바, 발생학을 비롯한 기초 생물학 연구, 질병 모델 연구, 신약 개발, 환자 개개인을 위한 맞춤 의학 등 다방면에 활용될 수 있음
2) 연구목표
- 1) 이차원 줄기세포 집단배양계에서 융합기술을 이용한 배엽유도 패턴화 고도화 기술 정립
2) 삼차원 배양조건 확립을 통한 다배엽성 오가노이드 제작기술 개발
3) 다배엽성 오가노이드 중합을 통한 장기블록체 제작기술 개발
4) 오가노이드를 이용한 질환 모델링 기술 확립
5) 다배엽성 오가노이드 연구를 위한 toolbox 구축
3) 연구진 구성
4) 연구내용 및 추진체계
- I. 2차원 배엽유도 패터닝을 기반으로 다배엽성 오가노이드를 제작
- - 초미세전극 어레이 및 미세패턴 기술을 활용한 세포집단의 물리적 세포부착 정도 제어
- 세포집단의 위치에 따른 차등적 세포대사 과정 및 신호전달계에 대한 이해를 바탕으로 소화합물 제어기술 확립
- 3차원 재구성을 통한 고차원적 다배엽 유래 세포의 조직화 다배엽성 오가노이드 개발 - II. 차세대 오가노이드 제작을 위한 toolbox 개발을 통한 고정밀 오가노이드 제작기술 확립
- - 다배엽성 척수, 연골 등 다양한 장기 오가노이드 제작기술 개발
- 줄기세포 기반, 심부 영양 및 산소 교환이 수월한, 수 mm 크기의 3차원 조직모듈(Tissue module)을 형성하는 원천기술 개발
- 3차원 오가노이드 구조체 대량 배양하기 위한 다기능 마이크로웰 어레이 시스템
- 3차원 오가노이드의 특성 분석을 위한 3차원 신경신호 측정 시스템 개발 - III. 오가노이드 활용 질환모델링을 위한 실용화 기술 확립
- - 다배엽성 척수 오가노이드 활용 척수 손상 모델 및 퇴행성 척수질환 모델 구축
- 임상치료용 오가노이드 생산기술 확립 및 질병 동물모델에서의 기능성 검증
- 모델 오가노이드 표준화를 통한 췌장암 치료후보물질 탐색
- 조직재생용 입체분화능 검증 및 장기복합체 제작 플랫폼 기술 확보
5) 기대효과
- - 본 과제에서 개발하고자 하는 다배엽성 오가노이드 모델은 인간 초기 배발생 과정 및 이의 이상에 따른 뇌척수의 발달 과정에 대한 연구를 가능하게 하는 바 발생학적 연구 및 다양한 질환의 병태 생리를 이해할 수 있는 새로운 기회를 제공할 것으로 기대됨.
- 다배엽성 오가노이드의 제작 과정이 고속화되면 정밀의학 실현을 위한 개인별 약물 반응 테스트, 바이오마커 개발 등이 가능해 질것임. 그리고 오가노이드 활용으로 신약개발의 전임상 과정 및 임상 단계가 최소화되고 high-throughput 신약 개발이 가능케 됨으로써, 신약개발 비용을 혁신적으로 절감할 수 있게 됨