과학자들, 세계 최초로 혈액 생성 심장 오가노이드 개발
#기사 1 https://medicalxpress.com/news/2024-12-scientists-blood-generating-heart-organoid.html
#참고 1 https://www.nature.com/articles/s44222-024-00268-0
#참고 2 https://www.livescience.com/59675-body-parts-grown-in-lab.html
인간의 장기는 어떻게 발달하고 질병에 걸리면 어떤 변화가 생길까? 이 질문에 답하기 위해 연구자들은 이른바 “오가노이드”에 점점 더 주목하고 있다. 이 미니 장기들은 실험실에서 배양된 세포 집합체로, 몇 밀리미터 크기의 기관 유사 구조를 형성할 수 있다. 배아 발달 과정과 유사하게, 오가노이드는 3차원 공간에서 세포 간 상호작용을 연구할 수 있는 가능성을 제공한다. 예를 들어 대사 과정이나 질병 메커니즘 연구에 유용하다. 오가노이드를 생산하는 과정은 까다롭다. 필요한 영양소, 성장 인자, 신호 분자는 특정 순서와 시기에 맞춰 정확히 추가되어야 한다.
2021년, 하노버 의과대학(MHH)의 라이프니츠 생명공학 및 인공장기 연구소(LEBAO) 소속 세포생물학자 로버트 츠바이거트 박사가 이끄는 연구팀은 최초로 심장 형성 오가노이드(heart-forming organoid, HFO)를 생산하고, 인간 심장의 초기 단계를 세포 배양으로 재현하는 데 성공했다.
현재까지 과학계에서 해결되지 않은 문제는 심장 발달과 조혈 과정을 동시에 모사할 수 있는 모델 개발이었다. 조혈은 인간 배아에서 4주 후 대동맥에서 시작되며, 이는 심장 형성과 시기 및 위치가 가깝다. 연구팀은 기존의 심장 오가노이드 모델을 기반으로, 점진적으로 특수 인자를 추가해 새로운 혈액 생성 심장 오가노이드(blood-generating HFO, BG-HFO)를 개발했다.1)
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<오가노이드란?> ▶ 오가노이드는 실험실에서 만들어진 모델 시스템으로, 실제 인간 몸속에서 나타나는 조직의 특성을 모방하도록 설계되었다. 오가노이드 바이오프린팅은 오가노이드나 오가노이드가 형성되는 세포를 3D로 배치하는 과정을 정밀하게 제어해, 실험 결과의 정확도와 재현성을 높이고 더 복잡한 조직을 만드는 기술을 뜻한다. 오가노이드 바이오프린팅은 인간의 발달 과정과 질병을 연구하거나, 신약 개발 과정을 표준화하고, 임상에서 사용할 수 있는 인간 조직을 제작하는 데 큰 가능성을 가지고 있다.2) |
배아와 유사한 조직 발달
이 미니 심장은 인간만능줄기세포(hPSC)로부터 만들어진다. 인간만능줄기세포는 특별한 특성을 가진 세포로, 실험실 환경에서 무한히 증식할 수 있으며, 어떤 세포 유형으로도 분화가 가능하다. 하이드로겔 매트릭스에 생물학적 또는 화학적 신호를 삽입하여, 인간만능줄기세포가 3차원 세포 집합체로 성장해 10~14일 안에 심장 오가노이드로 발달하도록 조절할 수 있다. 이러한 오가노이드는 단순한 심장 근육 세포 집합이 아니라, 최소 7가지 서로 다른 세포와 조직 유형으로 이루어진 복잡한 구조이다. 자연적인 배아 발달 과정과 마찬가지로, 인공 미니 심장은 세 개의 컵 모양 층으로 구성되어 있으며, 심장 형성 구조뿐만 아니라 간과 폐, 혈관의 전구체도 포함하고 있다.
연구팀은 심장과 혈액에 그치지 않고 다른 기관으로도 연구를 확장하고 있다. 그들은 이미 인간만능줄기세포를 다른 기관의 세포로 전환시키는 새로운 분화 프로토콜을 개발하고 있으며, 이를 통해 미래에는 의료 연구를 위한 다중 조직 오가노이드 모델이 추가로 제공될 예정이다.1)
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<참고> 실험실에서 재생된 신체 부위3) 최근 몇 년간 과학자들은 실험실에서 다양한 인간 신체 부위를 성공적으로 재생해냈다. 여기에는 줄기세포에서 성장한 미니 장기(오가노이드)와, 신체 장기의 생리적 조건을 모사하는 신용카드 크기의 장치에서 특정 조직의 세포를 배양한 장기 칩(Organ-on-a-chip) 모델이 포함된다. 이러한 접근법은 과거 동물 모델로는 불가능했던 정확도로 건강 및 질병 상태의 인간 장기를 연구할 수 있도록 해준다. 폐(Lung) 연구자들은 기관지와 폐포를 형성하는 3D 폐 오가노이드를 배양했다. 이 미니 폐는 질병에 따른 장기 변화 및 신약 반응을 연구하는 데 유용한 모델이 될 것이다. 이 미니 폐는 실험실에서 100일 이상 생존했다. 귀(Ear) 과학자들은 3D 프린팅 기술로 인간 귀를 만들었다. 이는 선천적 결함으로 외부 귀가 제대로 발달하지 않는 아이들을 위한 대체 귀로 사용될 수 있을 것으로 보인다. 대장(Colon) 2024년, 연구자들은 대장암의 발병 과정을 연구하기 위해 실험실에서 쥐 줄기세포를 사용해 미니 대장을 배양했다. 이 오가노이드는 사람의 세포로 확장되어 인간 대장암 연구에 적용될 예정이다. 고환(Testicles) 2024년, 과학자들은 처음으로 쥐의 세포를 사용해 고환 오가노이드를 배양했다. 이 오가노이드는 남성 불임이나 성 발달 장애와 같은 상태를 연구하는 데 사용될 수 있다. 혈관(Blood Vessels) 2024년, 과학자들은 "blood-vessel-on-a-chip(혈관 칩)" 모델을 개발했다. 이는 뱀독 연구 및 새로운 해독제 개발에 사용될 수 있다. 종양(Tumors) 2024년, 과학자들은 뇌종양(교모세포종) 오가노이드를 배양하여 암 치료 효과를 평가하는 데 사용했다. 이는 암 치료의 정밀성을 높이는 데 중요한 도구로 활용될 수 있다. 태반(Placenta) 과학자들은 태반이 임신 중 어떻게 발달하고 합병증이 발생하는지를 연구하기 위해 미니 태반을 개발했다. 이는 임신 장애의 이해를 돕는 데 중요한 통찰력을 제공할 수 있다. |