한국생명공학연구원 연구진이 오가노이드를 연구하고 있다. /한국생명공학연구원 제공
한국생명공학연구원 연구진이 오가노이드를 연구하고 있다. /한국생명공학연구원 제공
2100년 간 경화로 인해 간 이식을 기다리는 환자에게 의사는 다음과 같이 제안했다. “당신의 피부세포로 줄기세포를 만든 다음 간으로 분화해 이식하자”고. 제안을 수락한 환자는 3개월 뒤 실험실에서 제작된 자신의 간을 이식받았다. 그리고 건강한 상태로 퇴원했다.

언젠가 현실이 될 미래의 모습이다. ‘전분화능 줄기세포’(생체의 거의 모든 조직으로 분화할 수 있는 줄기세포)를 이용한 오가노이드 연구가 눈부신 발전을 이루고 있어서다.

○간·심장, 오가노이드로 치료제 개발

오가노이드는 줄기세포에 기반한 3차원 인공 장기 유사체로, 인체의 생리활성 기능을 유사하게 재현해낸다. 오가노이드의 활용은 크게 두 가지로 나뉜다. 치료제 목적으로서의 개발과 임상시험이나 연구 시 동물이나 사람을 대체할 수 있는 장기 유사체로서의 역할이다.

현재 재생의료 분야에서는 전분화능 줄기세포 유래의 간, 심장, 신장 등 다양한 장기의 오가노이드가 개발되고 있다. 최근에는 미국 연구진이 망막세포를 재현하는 데 성공했다. 유전자 교정기술과 융합을 통해 환자의 줄기세포 유전자를 일부 교정한 뒤 특정 세포로 분화시켜 치료하는 기술도 개발되고 있다. 이런 연구는 다양한 희귀질환 치료제 개발에 유용하게 사용될 것으로 기대되고 있다.

최근에는 코로나19 대유행을 감안해 인체를 대신할 수 있는 오가노이드의 역할이 강조되고 있다. 바이러스에 대한 인체반응 연구, 감염경로 연구를 위해 다양한 장기를 모사한 오가노이드가 필요해진 것. 지카 바이러스가 대표적인 예다. 임신부가 지카 바이러스에 감염되면 소두증 아기가 나오는데, 어떤 경로로 일어나는지에 대한 연구는 이뤄지지 않았다. 하지만 미니 뇌 오가노이드를 이용한 연구에서 지카 바이러스 감염으로 인해 뇌의 크기가 작아지는 것을 확인했고 감염 기전 연구가 가능하게 됐다. 또 폐 오가노이드, 장 오가노이드를 이용한 코로나바이러스의 연구를 통해 구체적인 감염경로 정보 등을 빠르게 얻을 수 있게 됐다.

○실제 장기 유사도 파악법 개발

오가노이드 활용분야가 신약개발 및 재생치료까지 확대되자 오가노이드가 얼마나 인체의 장기와 유사한지를 평가하는 기술의 필요성도 제기되고 있다. 지금은 생화학적인 방법을 이용해 오가노이드와 인체의 유사성을 비교 분석하고 있으나, 직접적인 비교가 어려워 정성적인 평가만 하고 있다. 인간 장기와의 유사성을 수치화할 수 있는 새로운 정량적 평가방법이 필요한 시점이다.

한국생명공학연구원은 정량적 비교 평가 모델 구축을 위해 차세대 염기분석법(NGS)을 이용하고 있다. 우선 인간의 장기별 전사체가 등록된 공용 데이터베이스를 이용해 인체 장기별 유전자 패널을 구축했다. 이를 이용해 제작된 오가노이드와 인체 장기별 유사도 분석을 위한 평가 알고리즘을 개발했다. 평가 알고리즘은 오가노이드의 전사체 분석을 통해 인체 장기와의 유사도를 알려준다. 연구자는 이를 통해 제작한 오가노이드의 부족한 부분을 보완할 수 있다.

자신의 줄기세포로 다양한 장기 분화…간·심장·신장 등 자가 이식시대 '성큼'
현재는 위, 심장, 폐, 간 등 인체의 중요 장기에 대한 오가노이드의 정량적 평가 시스템이 구축돼 있다. 앞으로 인체와 한층 더 유사한 오가노이드가 개발될 것이며, 이를 평가하기 위한 다양한 방법도 나올 전망이다. 이를 통해 고기능성 오가노이드가 개발되면 그만큼 난치병으로 고통받는 환자도 줄어들 수 있을 것이다.