심장 모방한 ‘미니 장기’로 심근경색 치료…신약 효능도 평가한다

IBS·가톨릭대 공동 연구진
3종류 심장 세포 혼합 해 미세환경 구현
혈액 움직임 모방해 장기 배양도 성공

기초과학연구원(IBS)과 가톨릭대 의대 연구진이 공동으로 개발한 심장 오가노이드. 실제 심장의 혈액 움직임을 모사한 배양 법으로 여러 종류의 세포가 유기적으로 연결된 오가노이드(오른쪽) 개발에 성공했다./기초과학연구원

국내 연구진이 실제 인간의 심장과 비슷한 오가노이드(미니 장기)를 만드는 데 성공했다. 세포의 활동에 중요한 영향을 미치는 세포 미세 환경을 모사해 인체 유사도를 높였으며, 장기 배양이 가능한 기술도 적용했다. 심근경색을 앓는 생쥐에게 이식해 치료 효과도 확인해 오가노이드를 이용한 치료제 개발로 이어질 것이라는 기대도 나온다.

조승우 기초과학연구원(IBS) 나노의학 연구단 연구위원과 박훈준 가톨릭대 의대 교수가 이끄는 공동 연구진은 25일 심장의 미세 환경을 몸 밖에서 구현하는 심장 오가노이드 기술을 개발했다고 밝혔다.

오가노이드는 줄기세포와 조직공학 기술을 이용해 인공적으로 만든 장기를 말한다. 큰 틀에서는 인공장기에 속하지만 기계·전자 장치로 만든 인공장기와 비교하기 위해 ‘미니장기’로 불리기도 한다. 실제 세포를 이용해 만들어지는 만큼 신약의 효능과 안전성 평가에 활용할 수 있어 동물 실험을 대체할 차세대 기술로 주목 받고 있다.

특히 심장 오가노이드는 다양한 종류의 세포로 구성돼 심장의 3차원(3D) 구조를 모사할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 아직 오가노이드마다 크기와 기능 차이가 크고 분화도·성숙도·기능이 실제 심장에 미치지 못한다. 약물 평가의 정확도가 떨어지고 실제 이식이 불가능하다는 한계가 여전히 남아 있다.

연구진은 심장의 물리·화학적 미세 환경을 오가노이드에 구현해 이런 문제를 해결했다. 장기 맞춤형 조직공학 기술을 이용해 새로운 형태의 심장 오가노이드를 만드는 데 성공한 것이다.

심장 오가노이드 제작에는 유도만능줄기세포를 사용했다. 유도만능줄기세포는 모든 종류의 세포로 분화할 수 있는 능력을 가진 줄기세포다.

연구진은 유도만능줄기세포로 심근세포와 심장 섬유아세포, 혈관내피세포 등 세 종류의 세포를 만들고 혼합했다. 이렇게 만든 세포 덩어리는 심장 조직에서 채취한 ‘세포외기질 지지체’를 이용해 배양했다. 그 결과, 심장 조직에 존재하는 다양한 세포 상호작용을 구현한 것은 물론 세포와 세포외기질 사이의 상호작용도 그대로 재현하는 데 성공했다.

심장에 흐르는 혈액의 미세 흐름을 이용한 오가노이드 배양 기술도 개발했다. 혈액의 흐름을 제어하는 미세유체 칩을 활용해 실제 심장의 혈액 움직임을 재현했다. 고여 있는 배양액에서 오가노이드를 배양하는 기존 방식과 달리 선소와 영양분을 오가노이드 내부로 계속 공급할 수 있어 생존율과 장기 배양이 가능한 기술이다.

연구진은 오가노이드를 활용해 약물의 효능과 독성을 예측하는 플랫폼(기반 기술)도 마련했다. 부정맥을 유발하는 부작용이 있는 약물을 오가노이드에 실험한 결과, 반응이 실제 환자에서 나오는 데이터와 유사한 것으로 나타났다. 심근경색을 앓는 생쥐에 오가노이드를 이식해 심장 기능이 회복되는 것도 확인됐다. 심근세포 사이의 연결이 회복되면서 근육 수축 관련한 신호 전달이 정상화되고 부정맥 유발 가능성이 감소했다.

조 교수는 “오가노이드는 신약 개발의 효율성을 높이고, 심장 조직을 근본적으로 재건하는 재생치료제로 활용 가능할 것으로 보인다”며 “이번에 개발한 조직공학 기술은 다른 장기 오가노이드에도 접목해 추후 바이오산업과 임상 치료에 적용될 것으로 기대된다”고 말했다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’에 지난달 22일 소개됐다.

참고자료

Nature Communications, DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-46928-y

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