3D 오가노이드 배양: 새로운 발달 및 질병 체외 모델

2D와 3D 세포 모델 시스템 비교

모델 시스템은 분자 수준부터 전체 유기체 수준까지 신체 과정과 기능의 발달 단계를 요약하여 생물학 연구를 발전시킵니다. 인체는 고도로 특화된 방식으로 조직된 세포 물질과 비세포 물질로 구성되어 있습니다. 하나의 체외 모델 시스템으로는 인간 생물학의 모든 측면을 모방하는 것이 어렵습니다. 3D 세포 배양 모델은 2D 평면에서 자라는 세포와는 달리 살아 있는 유기체의 세포가 겪는 자연적 환경을 보다 정확하게 재현합니다.

기존 세포 모델 시스템의 한계

동물 모델	2D 세포 단분자층	3D 세포 군집체
인간 및 동물 생물학의 차이 영상 및 고효율 연구에서의 제한적 유용성1 높은 비용	세포가 표현형을 상실 세포-세포 및 세포-기질 상호작용 결여 생체 내 조건에서와 같은 세포 기능 및 신호 경로 모방 불가능	일시적으로 세포 조직 및 상호작용 모방 장기 배양 유지가 어려움 자가 복제 및 분화 능력 결여2

오가노이드란?

오가노이드란 자가 복제 및 자기 조직이 가능하고 장기 기능을 보여 주는 1차 세포 또는 줄기세포에서 유래한 체외 유래 3D 세포 군집체입니다.³ 오가노이드는 다음을 제공하여 기존 모델 시스템의 한계를 해결합니다.

• 1차 세포와 유사한 조성 및 구성: 오가노이드에는 생리적 조건에서와 비슷한 빈도로 모든 주요 세포 계통의 세포로 분화할 수 있는 자가 복제 가능한 소수의 줄기세포군이 있습니다.
• 생체 내 조건의 관련 모델: 오가노이드는 어떤 모델 시스템에도 생물학적으로 더 적합하며 주변 미세 환경 구성 요소와 유전자 서열을 조작할 수 있습니다.
• 장기 배양을 위한 안정적 시스템: 오가노이드는 줄기세포의 자가 복제 및 분화 능력과 고유한 자기 조직 능력을 활용하여 바이오뱅크로 저온 보존하고 무한히 확장할 수 있습니다.

그림 1. 생쥐 소장 상피 오가노이드. 3D 오가노이드는 Clevers et al. Science. 2013에 약술된 프로토콜에 따라 성체 생쥐 소장 조직에서 생성되었습니다. 오가노이드 세포는 배양 3-5일 경에 관내강 및 아체 구조를 형성하기 시작하며, 7-10일 경에 복잡한 소낭선 유사 구조를 형성하기 시작합니다. 이 소낭선 유사 영역은 분열되는 LGR5+ 줄기세포가 소낭선 기저부에 위치한 파네트 세포 사이에 있는 성체 소장과 기능적으로 유사합니다.

오가노이드와 스페로이드 비교

오가노이드와 스페로이드는 모두 3차원으로 배양되는 세포입니다. 스페로이드는 흔히 암 세포주 또는 종양 생체 조직 절편에서 초저 부착 플레이트의 자유롭게 유동하는 세포 군집체로 형성되는 반면 오가노이드는 매트리겔 같은 ECM 하이드로겔 기질 내에 포함된 조직줄기세포에서 유래합니다. 오가노이드는 매우 복잡하며 스페로이드에 비해 더 생체 내와 유사합니다. 최근 종양 오가노이드는 암 약물에 환자들이 얼마나 잘 반응하는지를 예측함으로써 맞춤형 의약에 도움이 됨을 확인시켜 주었습니다.

그림 2. 오가노이드와 스페로이드 비교 줄기세포 유래 오가노이드는 스페로이드에 비해 조직 복잡성이 더 높은 생체 내와 유사한 표현형을 가지고 있습니다.

오가노이드 생성 방법

오가노이드는 적절한 물리적 및 생화학적 신호를 제공하여 1차 세포 또는 만능줄기세포(유도만능줄기세포(iPSC) 또는 배아줄기세포(ESC))에서 생성됩니다⁴.

물리적 신호: 세포 부착 및 생존에 대한 지원을 제공합니다. 예로는 콜라겐, 파이브로넥틴, 엔탁틴, 라미닌 등이 있습니다.

생화학적 신호: 신호 경로를 조절하여 증식, 분화, 자가 복제에 영향을 줍니다. 예로는 EGF, FGF10, HGF, R-스폰딘, WNT3A, 레티노산, GSK3β 억제제, TGF-β 억제제, HDAC 억제제, ROCK 억제제, 노긴, 액티빈 A, p38 억제제, 가스트린 등이 있습니다.

오가노이드 적격 시약

부품 번호	설명
SCM300	3dGRO™ Organoid Dissociation Reagent
SCM301	3dGRO™ Organoid Freeze Medium
SCM162	DMEM/F-12 PLUS Basal Medium

오가노이드 응용분야

오가노이드는 분자 및 세포 생물학 분석에 생리학적으로 적합하여 해당 분석이 용이하고, 기초 연구 및 번역 응용분야에서 전망이 밝습니다.  

발생 생물학:  ESC, iPSC에서 유래된 오가노이드는 발생 단계의 특징을 유지하며, 배아 발생, 계통 분화, 조직 항상성 과정 연구에 도움이 됩니다. 또 줄기세포 발생과 그 주변 미세 환경에 관한 새로운 정보를 제공합니다.

• 뇌²⁴, 췌장²⁵, 위⁷ 등 장기의 발생은 Wnt, BMP, FGF 신호 경로를 조절하여 유도된 순차적 분화 단계를 통해 연구되었습니다.

전염병의 질병 병리학: 오가노이드는 장기의 모든 구성 요소를 보여 주며, 특수한 인간 세포 유형에 영향을 주는 전염병 연구에 적합합니다.

• 인플루엔자 바이러스 복제 연구를 위해 인터페론 조절 인자 7 유전자 무효 대립 유전자를 보유한 건강한 아이의 iPSC에서 유래한 폐 오가노이드가 사용되었습니다²⁶
  
• 신경 전구 세포의 지카 바이러스 감염을 연구하기 위해 인간 iPSC에서 유래한 전뇌 오가노이드가 사용되었습니다²⁷

재생 의학: 성체줄기세포에서 유래한 오가노이드 이식은 손상된 장기나 조직의 교체에 도움이 됩니다. 또한 CRISPR/Cas9 기술을 사용한 유전자 수정의 실현 가능성은 단일 유전자 유전병의 치료에 활용될 수 있습니다.

• 소장 오가노이드는 생쥐 모델에 이식했을 때 융모 형성, 파네드의 존재와 같은 소장의 특성을 보존했습니다²⁸

약물 독성 및 효능 검사: 대표적인 표적/장기(장, 간, 신장)에 대한 약물 효능 및 독성 검사 가능성은 동물 이용과 관련된 윤리적 문제를 제한할 수 있습니다.

• 시스플라틴의 신독성을 입증하기 위해 Hyman 신장 오가노이드가 사용되었습니다¹¹

맞춤 의학: 개인 환자의 성체줄기세포에서 유래한 오가노이드로 약물 반응에 대한 생체 외 검사가 가능합니다.

• 희귀한 CFTR 돌연변이가 있는 환자의 치료 옵션을 파악하기 위해 결장 오가노이드가 사용되었습니다^.29
  
• 종양 오가노이드는 개별 환자 수준에서 약물 반응을 평가하는 데 사용될 수 있습니다.

그림 3. 1차 세포 및 만능줄기세포로부터 오가노이드 생성 및 그 응용분야

표 1 성장 인자 및 다양한 오가노이드 세포 유형 개발에 사용되는 생화학 물질 요약

오가노이드	원천	배양 조건	오가노이드의 세포 유형	참조문헌
위
	hPSC	내배엽 유도: Rock 억제제(Y-27632), 액티빈 A, BMP5 스페로이드 생성: WNT, FGF, 노긴, 레티노산 오가노이드 형성: 노긴, 레티노산, EGF 성숙: EGF	LGR5+ 세포, 점액 세포, 위 내분비 세포	7
	hAdSC	EGF, R 스폰딘, 노긴, FGF10, WNT, 가스트린, 니코틴아미드, TGFβ 억제제	LGR5+ 세포, 오목 점액 세포, 샘 점액 세포, 으뜸 세포, 장내 분비 세포	13
장
	hPSC	내배엽 유도: 액티빈 A, BMP4 뒷창자 분화(스페로이드 생성): FGF4, WNT3A 오가노이드 형성: FGF4, WNT3A 성숙: R스폰딘1, 노긴, EGF, FGF4, WNT	장 세포, 배상 세포, 파네드 및 장내 분비 세포	30
	hAdSC	확립: EGF, R 스폰딘, 노긴, WNT3A, 니코틴아미드, 가스트린, TGFβ 억제제, p38 억제제 분화: WNT3A, p38 MAP 키나아제 억제제 및 니코틴아미드 없음	소장 상피 유도체 및 줄기세포	31
결장
	hAdSC	확립: EGF, R 스폰딘, 노긴, WNT3A, 니코틴아미드, 가스트린, TGFβ 억제제, p38 억제제 분화: WNT3A, p38 MAP 키나아제 억제제 및 니코틴아미드 없음	상피 세포 및 중간엽 유도체	31
간
	hAdSC	확립: 노긴, WNT, ROCK 억제제 분화: 가스트린, EGF, R 스폰딘, FGF10, 간 세포 성장 인자, 니코틴아미드, TGFβ 억제제, 포스콜린	기능성 간 세포	14
	hiPSC	내배엽 유도: 액티빈 A 간 특정 분화: BMP4, FGF2, 간 세포 성장 인자 성숙: Oncostatin M	기능성 간 세포	32
췌장
	hAdSc	확립: TGFβ 억제제, 노긴, R-스폰딘 1, WNT3A, EGF, FGF10, 니코틴아미드 분화: 보고된 바 없음	상피 관 세포	23
전립선
	hAdSc	EGF, R-스폰딘1, 노긴, TGF-β 억제제, p38 MAP 키나아제 억제제, FGF10, FGF2, PGE2, 니코틴아미드, DHT	분화된 CK5+ 기저 세포 및 CK8+ 내강 세포	17
폐
	hPSC	내배엽 유도: 액티빈 A Forget 내배엽 분화: BMP, TGF-β 및 Wnt 억제제 복부측 폐 기도 전구 세포: Wnt, BMP, FGF, RA 활성화제 폐 오가노이드: Wnt, FGF, cAMP, 글루코코르티코이드	중간엽 및 폐 상피 세포	33
뇌
	hPSC	신경 유도: N2 보충제, NEAA, 헤파린 분화: N2 보충제, 2-메르캅토에탄올, 인슐린 성숙: 비타민 A, 레티노산	성숙한 대뇌 피질 신경 세포를 생성하는 전구 세포군	24
신장
	hPSC	중간 중배엽 유도: Wnt, GSK3α 억제제 오가노이드 형성: GSK3α 억제제, FGF9	네프론 및 내피 세포	11, 34

관련 오가노이드 세포 배양 제품

참고문헌

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