동물실험 대체부터 맞춤의학까지 다양한 분야 활용 가능
[메디칼업저버 박선혜 기자] 코로나19(COVID-19)가 창궐하기 전 2015~2018년 브라질 등 중남미 지역은 급속도로 퍼진 지카 바이러스와의 전쟁으로 몸살을 앓았다.
문제가 됐던 것은 해당 지역에서 원인을 알 수 없는 소두증(小頭症) 기형아가 상당수 태어났는데 이들 산모 중 대다수가 지카 바이러스에 감염됐던 것이다.
지카 바이러스가 소두증을 유발할 수 있다는 간접 근거는 있었지만 직접적으로 영향을 미치는지는 단정할 수 없었다. 지카 바이러스를 연구할 수 있는 동물실험 모델이 없었기 때문이다. 사람에게 지카 바이러스를 감염시킬 수 없고, 동물도 지카 바이러스에 감염되지 않으니 소두증과의 연관성을 확인하기 어려웠다.
이런 가운데 학계는 지카 바이러스와 소두증의 연관성을 이것을 이용해 입증할 수 있었다. 바로 '오가노이드(Organoid)'이다.
브라질 리우데자네이루 연방주립대 Stevens K Rehen 연구팀은 유도만능줄기세포 유래 뇌 오가노이드를 이용해 지카 바이러스와의 상호작용을 연구했고, 지카 바이러스가 소두증을 유발한다는 것을 규명했다.
질환 발생의 비밀을 밝혀낸 오가노이드는 다양한 분야에서 활용 가능해 미래 의학을 선도할 유망 기술 중 하나로 평가받는다. 이에 따라 오가노이드 시장도 가파른 성장이 예상된다.
본지는 2022년 임인년(壬寅年)을 맞아 미래 의학을 이끌어갈 오가노이드를 조명했다.
[신년기획-①] 오가노이드, 무한한 가능성으로 미래 의학 이끈다
줄기세포를 3차원 배양법으로 재가공한 세포 집합체
오가노이드는 'Organ(장기)'과 'Oid(비슷한)'의 합성어다. 풀이하면 장기와 비슷한 장기유사체라고 할 수 있다. 실제 장기 기능의 구조를 닮았고 크기는 수백㎛에서 1mm로 작아 미니장기 또는 유사장기라고 불린다. 자가조직화(self-organizing)가 가능해 생체 장기를 모방할 수 있다.
정확하게 오가노이드는 체내 여러 종류의 세포로 분화할 수 있는 미분화세포인 줄기세포(성체줄기세포, 배아줄기세포, 유도만능줄기세포)를 3차원 배양법으로 재가공해 만든 세포 집합체로 정의한다.
오가노이드가 장기와 똑같지 않고 '유사'하다는 의미는 세 가지로 정리할 수 있다. 먼저 해당 장기를 구성하는 세포가 기본적인 성분이 돼야 한다. 그리고 세포들이 모여 구조화를 이뤘을 때 해당 장기의 구조와 유사해야 한다. 또 해당 장기의 특이적 기능을 재현해야 한다.
2019년 한국바이오협회 '오가노이드 시장 현황'에 의하면, 오가노이드는 1957년 에띠엔느(Etienne Y.)에 의해 만들어졌고 2009년 네덜란드 Hubrecht 연구소 Hans Clevers 연구팀이 3차원 배양을 통해 정교한 구조의 장 오가노이드를 개발했다.
이후 여러 장기와 장기 연관 연조직 등에 대한 오가노이드가 구축되면서 오가노이드 연구가 활발히 이뤄지고 있다. 현재 여러 오가노이드가 개발되고 있으며 △종양 △장 △뇌 △간 △폐 △위 등이 대표적이다.
전임상단계 동물실험 대체 가능
오가노이드는 인간 장기와 유사하다는 장점으로 질병 발생 기전을 이해하는 것에 더해 동물실험 대체, 재생치료제 또는 신약 개발 등 다양한 분야에서 활용 가능하다.
오가노이드는 인체의 생리활성을 유사하게 재현해 전임상단계의 동물실험을 대체할 수 있다. 동물실험 모델은 인체와 유전적, 생물학적 특성이 다르다. 이에 동물실험 모델에서 확인한 약물 효능·안전성 결과는 완벽히 신뢰할 수 없다.
대표적 예가 입덧완화제 탈리도마이드 사례다. 탈리도마이드는 동물실험에서 독성이 나타나지 않았다. 그러나 탈리도마이드를 복용한 임신부가 기형아를 출산하면서 위험이 드러나 판매가 중단됐다.
동물실험 모델 대상의 약물 독성평가 결과와 인체에 적용 시 나타날 수 있는 결과 차이는 오가노이드로 극복할 수 있다. 이와 함께 오가노이드는 동물실험에 대한 윤리적 비난을 해결할 수 있는 대안으로 평가된다.
손상된 조직 치료하는 '재생치료제' 눈길
오가노이드는 재생치료제 개발에도 활용할 수 있다. 손상된 조직에 오가노이드를 이식해 조직을 재생시키는 개념이다.
국내외에서는 다양한 질환에 적용할 수 있는 오가노이드 기반 재생치료제 개발 연구가 진행 중이다. 2012년 일본 도쿄의대 Watanabe Mamoru 연구팀은 점막손상이 있는 마우스 모델의 대장점막에 정상 마우스의 장 오가노이드를 이식하면 기능이 정상으로 회복되고 치료 효과가 나타난다는 것을 처음으로 입증했다(Nat Med 2012;18(4):618~623).
국내에서는 오가노이드 기반 재생치료제의 상용화를 위한 연구개발이 이뤄지고 있다. 오가노이드 치료제 기업인 오가노이드사이언스는 염증성 장질환과 침샘질환을 오가노이드로 치료하는 재생치료제를 개발하고 있다. 향후 염증성 장질환, 침샘질환 환자를 모집해 오가노이드 기반 재생치료제 임상시험을 진행할 계획이다.
오가노이드로 '맞춤의학' 실현
최근 개인 맞춤의학의 중요성이 부각되면서 오가노이드 활용에도 관심이 모인다. 오가노이드는 개인별 진단 목적으로 사용 가능하다. 또 오가노이드로 질병 발생의 다양한 원인을 확인하는 시험을 진행할 수 있어 불필요한 치료제 투약을 막고 치료비 부담을 줄일 수 있다.
아울러 실제 환자의 유전체 프로파일과 환자 오가노이드의 유전체 정보가 유사하므로, 환자 조직으로부터 오가노이드를 구축해 유전정보를 기반으로 한 질병 모델링과 반복시험을 통한 약물 스크리닝, 바이오마커 발굴 등 맞춤의학 플랫폼으로 활용할 수 있다. 특히 희귀질환 치료를 위해 환자별 오가노이드를 제공할 수 있다.