실제 심장 같은 인공장기 나왔다…미세환경 구현해 임상 활용

기초과학연구원

심근세포로 구성된 오가노이드를 쥐 모델에게 이식하자 이식된 심근세포가 숙주 조직 내에서 안정적으로 생착했다. IBS 제공.

인공적으로 만든 장기유사체인 ‘오가노이드’가 심장 미세환경까지 구현할 수 있는 수준에 이르렀다. 약물 평가나 재생치료 등 다양한 응용 가능성이 확인돼 머지않아 임상 적용이 기대된다. 

기초과학연구원(IBS)은 조승우 나노의학연구단 연구위원 연구팀이 박훈준 가톨릭대 의대 교수 연구팀과 체외에서 심장 미세환경을 구현하는 심장 오가노이드 제작·배양 기술을 개발했다고 25일 밝혔다. 

오가노이드는 줄기세포와 조직공학기술을 이용해 인공적으로 만든 장기유사체로 신약 유효성과 안전성 평가 등에 활용된다. 심장 오가노이드는 심장 구성 세포로 심장의 3차원 구조 및 생리적 기능을 구현해 2차원으로 배양된 세포 모델보다 장점이 많다.

하지만 아직 개체 간 크기·기능 편차가 크고 분화도, 성숙도, 기능성 등에서 실제 심장 수준에 못 미친다. 심장 오가노이드의 약물 평가나 조직 재생 효과를 보장할 수 없어 아직 응용에 한계가 있다. 

연구팀은 심장의 물리적·생화학적 미세환경을 오가노이드에 구현해 기존 한계를 개선했다. 장기 맞춤형 조직공학 기술을 개발해 새로운 형태의 심장 오가노이드를 제작했다. 

실제 심장의 다양한 세포 구성을 그대로 구현하기 위해 인간 유도만능줄기세포로부터 분화된 심근세포 외에도 심장 섬유아세포, 혈관내피세포 등을 혼합했다. 이후 혼합된 세포를 심장 조직 유래의 세포외기질 지지체 내에 배양해 심장 오가노이드를 제작했다. 실제 심장 조직 내 존재하는 다양한 세포 간 상호작용과 세포 및 세포외기질 간 상호작용을 구현하는 심장 오가노이드를 제작한 것이다.  

심장 내 혈류 흐름과 산소·영양분 공급 등 동적 미세흐름을 구현하고자 미세유체 칩을 활용한 동적 배양법도 개발했다. 미세유체 칩은 마이크로 크기의 채널들로 연결된 오가노이드 챔버와 배양액 챔버를 교반기 위에 올려놓는 방식으로 미세흐름을 제공한다. 기존의 정적 배양법과 달리 산소와 영양분을 오가노이드 내부로 끊임없이 공급할 수 있어 오가노이드 생존율을 높이고 장기배양을 가능하게 하는 방법이다.  

연구팀은 제작된 오가노이드의 응용 가능성도 검증했다. 심장 오가노이드는 약물의 유효성 및 심장 기능에 이상을 일으키는 심독성을 예측하는 플랫폼으로 활용 가능했다. 부정맥 유발 위험도가 있는 약물을 오가노이드에 실험한 결과, 약물 반응이 기존 임상 데이터와 유사한 양상을 보였다. 또 오가노이드를 활용해 심장 섬유증, 긴 QT 간격 증후군 등 심장질환 모델 제작에도 성공했다. 

심근경색을 유발한 쥐에 심장 오가노이드를 이식해 심장 재생치료 가능성도 확인했다. 오가노이드가 이식된 쥐의 심장은 수축 기능 향상, 섬유화 감소, 손상된 조직의 재생 효과 등이 확인됐다. 심장 조직 내 안정적으로 생착한 오가노이드는 심근세포끼리 유기적으로 연결돼 수축 관련 신호가 원활히 전달됐다. 향후 부정맥 유발 가능성을 줄이는 치료제로 활용 가능함을 의미한다. 

조 교수는 “이번 연구의 오가노이드는 향후 체외 모델 플랫폼으로써 신약 개발의 효율성을 높이고 심장 조직을 근본적으로 재건하는 재생치료제로 활용 가능할 것으로 보인다”며 “개발한 조직공학 기술은 다른 장기 오가노이드에도 접목해 추후 바이오산업 및 임상 치료에 적용될 것으로 기대된다”고 말했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 온라인판에 지난달 22일 게재됐다.

(왼쪽부터) 조승우 IBS 나노의학연구단 연구위원, 박훈준 가톨릭대 의대 교수, 민성진 성균관대 조교수, 김수란 연세대 박사후연구원, 심우섭 가톨릭대 박사과정생.

[문세영 기자 moon09@donga.com]