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환자 맞춤형 오가노이드 기반 정밀 의료 플랫폼
환자 맞춤형 오가노이드 기반 정밀 의료 플랫폼 저자 김민서 (㈜넥스트앤바이오, 고려대학교)
등록일 2022.12.29
자료번호 BRIC VIEW 2022-T24
조회 1719  인쇄하기 주소복사 트위터 공유 페이스북 공유 
요약문
인체 내 암세포는 3차원 환경에서 성장하고 이웃 세포 또는 생체 외 기질과의 3차원적 결합을 통해 생존해 간다. 최근 3차원 배양 법을 통해 암세포를 암 조직으로 분화시킨 암 오가노이드로 배양할 수 있었다. 암 오가노이드는 2차원으로 배양된 암세포에서 볼 수 없었던 암 조직 내 세포들 간의 이질성(Intra tumor heterogeneity)을 보인다. 또한 각기 다른 환자들로부터 배양된 암 오가노이드들은 서로 다른 조직학적 특성을 보였으며, 각각의 오가노이드는 모체 암 조직만의 고유한 암특성을 그대로 유지하고 있었다. 암 오가노이드는 암의 또 다른 특징인 개별 간 이질성(Inter tumor heterogeneity을 보유한다는 것이 증명되었다.
그렇기 때문에 개별 환자에서 나타나는 약물의 반응성 또한 암 오가노이드에서 재현이 가능하다. 최근 소화기암을 대상으로 암 오가노이드의 약물 반응 예측성을 연구한 논문에 따르면 환자 유래 암 오가노이드는 100% 민감성, 93%의 특이성, 88%의 항암제 민감도 예측, 100%의 항암제 저항도 예측 능력을 보이기 때문에 개별 환자에서 보이는 표적 혹은 표준 치료제의 반응성을 보다 정확하게 예측할 수 할 수 있다고 보고되었다. 또한 암 오가노이드는 약물 스크리닝 과정에서 개별 환자 간 암의 유전적 배경과 약물 반응에 대한 연구에 이용될 수 있다. 동일 환자의 정상 조직도 함께 오가노이드로 배양할 수 있기 때문에 정상 세포들은 영향받지 않고 암세포들만을 선택적으로 죽일 수 있는 화합물을 스크리닝 하여 독성이 적은 약물을 개발하는데 이용할 수 있다. 게다가 암 조직을 구성하는 비종양세포들과 생체 외 기질과의 상호작용을 공배양 기법을 통해 재현하여 약물에 미치는 영향까지 연구가 가능하다.
본 연구동향에서는 암 오가노이드의 개별 환자 암의 고유 특성 반영 능력, 개별 항암제 반응 예측능에 대해 검토하고자 한다. 그리고 현재 오가노이드 모델의 한계와 이를 극복하기 위한 공학적 요소가 결합된 organoid-on-a-chip 기술에 대해 소개하고자 한다. 결론적으로 암 오가노이드는 개별 항암제 반응 및 약물의 상호작용을 연구할 수 있는 최적의 전임상 모델로, 약물 스크리닝 플랫폼에 적용하여 보다 임상의 약물 반응을 예측할 수 있고 임상에 적용가능한 약물을 개발하는데 유용하게 이용될 것이라 기대된다.
키워드: Cancer organoid, patient-derived model, drug response prediction, drug screening platform, Organoid-on-a-chip
분야: Cancer Biology/Oncology, Cell_Biology

목 차

1. 서론
2. 본론
2.1. 환자 유래 오가노이드 정의와 제작법
2.2. 환자 아바타 모델로서 환자 유래 오가노이드
2.3. 환자 유래 오가노이드 기반 약물 스크리닝
2.4. Organoid-on-a-chip
3. 결론
4. 참고문헌


1. 서론

인체에 존재하는 세포들은 세포-세포 간 결합, 세포-세포 외 기질 간 결합을 통해 3차원 구조를 형성하면서 생존하고 있다. 암세포 또한 정상 세포가 가지고 있는 3차원 구조 속에서 생존하고 발달하며 암 조직을 형성한다. 때문에 암 연구를 진행함에 있어 이런 3차원 구조에 의한 영향들을 포괄적으로 이해할 필요성이 대두되고 있다.

최근 들어 줄기세포를 기반으로 체외에서 만들어질 수 있는 3차원 조직 모사체인 ‘오가노이드’ 모델은 이런 필요성을 연구적으로 해결해줄 수 있는 대안적 모델로 각광받고 있다. 오가노이드는 배아줄기 세포 또는 성체 줄기세포로부터 만들어진 모델로 실제 장기의 기능을 할 수 있는 분화된 세포와 줄기세포가 장기의 구조를 재현하며 공존하는 3차원 배양체이다. 암 또한 오가노이드 배양기법으로 암 조직을 모방하는 3차원 배양체인 ‘암 오가노이드’로 배양될 수 있다. 즉, 오가노이드는 체외에서 배양 가능한 3차원 조직 모사체로 세포 분화 과정부터 질병발생의 기작을 이해하기 위한 여러 실험이 실시간으로 재현가능한 모델이다. 이런 특성으로 기초의학을 비롯한 재생의학, 인공장기, 질병 모델링, 신약 개발에 오가노이드의 활용성은 크다.

본 동향서는 중개 질병 연구에 있어서 환자 유래 암 오가노이드 모델의 유용성과 오가노이드를 이용한 다양한 연구에 대해 설명하고 있다. 특히, 암 연구 분야에 있어 항암제 개발과 정밀의학 연구를 위한 환자 유래 암 오가노이드 기반 차세대 전임상 플랫폼 기술에 대해 설명하고자 한다.

2. 본론

2.1. 환자 유래 오가노이드 정의와 제작법

환자 유래 오가노이드는 연구적 동의를 받은 환자로부터 제공받은 정상 혹은 질환 조직으로부터 세포를 분리하여 3차원 배양상태에서 만들어진 세포 배양체이다. 이 배양체는 각 장기에 특화되어 분화 및 줄기세포능을 조절할 수 있는 media 속에서 제작된다. 이렇게 배양된 오가노이드는 모체 조직의 조직학적인 구조적 유사성과 여러 생리학적/유전적 특징들을 그대로 재현할 수 있는 특징을 가지고 있다 [1].

즉, 오가노이드가 모체 조직의 여러 특성을 재현할 수 있게 하는 주요 배양적 조건은 3차원적 체외환경과 Media에 달려있다. 인체 조직에서 세포는 콜라겐, 라미닌 등을 포함하는 세포외기질 안에 존재하며 이들과 상호작용하며 Proliferation, Differentiation, Survival, Apoptosis 등 여러 생물학적 프로세스를 조절하고 있다 [2]. 체외에서 세포를 배양할 시, 체내의 세포외기질의 성분들과 유사한 기질 물질이(ex. Matrigel) 조직 속 세포 환경을 재현하는 3차원 배양 환경을 만들어 준다. 또한 오가노이드를 배양하기 위한 Media는 여러 세포로 분화할 수 있는 줄기세포의 분화와 이들을 적당한 비율로 유지시켜 줄 수 있는 유도 인자들을 조합한 영양 물질로, 체외에서 세포가 조직으로 발달할 수 있도록 유도하는 역할도 한다. 이를 위해 장기마다 필요로 하는 유도 인자들이 다르기 때문에 조직 특성에 맞는 배양액을 제작하는 기술 또한 중요하다 (표 1).

2009년도에 Hans clevers와 Toshiro Sato가 처음 쥐의 소장에서 Lgr5+ cell을 분리 후, 플레이트 안에서 laminin-rich Matrigel에 쌓아 돔 형태로 굳힌 후 Wnt 신호전달을 활성화시킨 생체내 줄기세포 환경과 장관 세포들의 성장을 촉진할 수 있는 EGF 인자와 Noggin을 추가한 배양액을 첨가하여 소장의 장기 기능을 나타내는 최소 unit인 crypt들로 구성된 소장 오가노이드를 체외에서 배양해 냈다 (그림 1) [3]. 이 연구 결과를 토대로 여러 장기에 존재하는 성체 줄기세포로부터 체외 장기를 배양하고자 하는 노력들이 시도되었으며, 상피 세포로 구성된 다양한 장기들이 오가노이드로 체외 배양되었다 (표 1).


환자 맞춤형 오가노이드 기반 정밀 의료 플랫폼
그림 1. Lgr5+ cell로부터 배양된 intestinal organoid.
(A) 쥐의 소장으로부터 Lgr5+ stem cell을 분리 후 3차원 배양한 오가노이드 모습. 배양 5일 차에 생성된 초기 오가노이드 모습 (왼쪽)과 배양 14일 차에 성숙화되어 crypt domain이 나타난 모습 (오른쪽). (B) 오가노이드 배양 3주 후 오가노이드 내 Lgr5+ cell (초록색)을 염색하여 관찰한 이미지. Lgr5- cell (빨간색). (C) 배양된 오가노이드 세포 구성 모식도. Scale bar. 50 μm.

 


표 1. 장기별 정상 및 암 오가노이드 대표적 배양 조건.
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표 1에서는 각 장기별 정상 및 암 오가노이드의 대표적인 배양 조건을 설명한다. 하지만 이외에도 여러 연구팀에서 개발된 장기별 오가노이드 배양 조건이 다양하게 존재한다. 장기별 공통적으로 제시하는 배양 인자들이 있지만 연구자마다 사용하는 다양한 배양 인자들의 조합 조건이 다르며 아직까지 하나로 통합된 환자 유래 오가노이드 배양 조건은 없는 상태이다.

다양한 방법을 통해 제작된 오가노이드는 다음과 같은 생물학적 과정을 통해 배양된다. 환자의 조직으로부터 분리된 세포는 위의 배양조건에서 세포 증식(Cell proliferation), 세포 분화(Differentiation), 자기증식(Self-renewal) 과정을 통해 오가노이드화된다 [4]. 구체적으로, 특정 장기의 발달 조건에 맞춰진 오가노이드 배양 조건 하에서 성체 조직 안에 존재하는 성체줄기세포(Adult stem cell)는 다양한 기능을 하는 세포로 증식하고 분화되는 한편 동시에 자기증식을 통해 일정 수준으로 유지된다. 동시에 줄기세포로부터 분화된 세포는 특정 장소로 이동하여 조직 구조와 유사하게 배열을 하며, 이를 Cell self-assembly 과정이라 부른다 [5]. 조직 구조를 형성한 후 각 세포들은 생물학적 신호전달 조절을 통해 다양한 그들 만의 생리학적 활성을 재개한다. 즉, 환자 유래 3차원 배양체가 이런 생물학적 특징을 가져야 환자 유래 오가노이드 모델이라고 말할 수 있다.

2.2. 환자 아바타 모델로서 환자 유래 오가노이드

환자 유래 오가노이드 모델 중 가장 활발한 연구가 이루어지고 있는 분야 중 하나가 바로 암 연구 분야이다. 환자에게 다양한 치료법을 시도해보는 대신 환자 유래 암 오가노이드에 시도를 해봄으로써 미리 해당 암 환자의 치료 반응성을 예측할 수 있는 환자 아바타 모델로 사용할 수 있기 때문이다. 환자 유래 암 오가노이드는 모체 암 조직이 가지고 있는 암세포의 특징을 그대로 재현하고 있으며 [6], 그들의 환자 아바타 모델 능력은 기존의 환자 유래 전임상 암 모델보다 제작률, 실험적 용이성, 제작 비용, 본 조직의 특성 유지, 재현 범위 등 여러 점을 고려했을 때 뛰어나다 (그림 2) [7].

암이란 질병은 정상적인 세포의 유전자나 암 억제 유전자의 돌연변이 등으로 인해 세포주기가 조절되지 않아 세포 분열을 계속하는 질병이다. 때문에 환자 유래 암 모델이 반드시 가져야 하는 특징은 모체 암 조직의 유전적 특징이다. 암 오가노이드와 그들의 모체 암 조직의 Targeted sequencing 실험 비교 분석 결과, 2000개 이상의 암 관련 유전자들이 환자 유래 암 오가노이드에서도 대부분 발견되었으며 이는 암 오가노이드가 그들의 모체 암 조직의 생리학적 구조적 특징을 모사할 수 있게 하는 원인 중 하나임이 밝혀졌다 [8].

게다가 암이란 질병은 형태학적, 유전학적 이질성(Heterogeneity)를 강하게 띄고 있다. 이 때문에 같은 암이라도 개개인마다 암의 특징이 다르며(intertumoral heterogeneity) 같은 환자의 암내에서도 암세포마다 특징이 다르다(intratumoral heterogeneity) [9]. 그리고 이런 이질성이 개별 환자 간 치료 반응성의 차이를 띄게 하는 주요 원인이다. 바로 환자 유래 암 오가노이드가 본래 암 환자 조직에서 나타나는 이질성을 체외에서 재현할 수 있다는 점이 환자별 아바타 모델로서 고평가 되는 주된 원인이다.


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그림 2. 환자 유래 전임상 암 모델의 종류와 특징.


그리고 환자 유래 암 오가노이드가 장기간 체외 배양 기간 동안에도 개별 환자의 유전적/형태학적 특징을 안정적으로 유지할 수 있다는 점도 주요 특징 중 하나이다. 모체 암 조직의 개별적 특징을 장기 체외 배양 기간 동안 유지할 수 있다는 환자 유래 암 오가노이드의 특성은 biobanking 후에도 확인되었다. 즉, 환자 유래 암 오가노이드는 오랜 기간 biobanking 되어도 그들의 모체 암 조직이 가지고 있는 copy number alterations, mutational signatures 등 여러 유전적 특징들과 형태학적 특징은 그대로 유지됨이 실험적으로 증명되었다. [10]. 이 때문에 ‘시험관 속 암 환자’로 불리는 환자 유래 암 오가노이드는 여러 약물 개발 및 환자의 지속적인 종양 발달 과정을 추적할 때도 연구적으로 유용하게 사용되고 있다.

2.3. 환자 유래 오가노이드 기반 약물 스크리닝

환자 유래 오가노이드는 다양한 개별 환자의 질병 특성을 잘 모사하고 있기 때문에 질병 치료를 위한 약물 스크리닝을 통해 환자별 치료에 가장 적합한 약물을 선별하는데 유용하게 사용되고 있다. 특히 환자 유래 오가노이드는 모체 암조직의 유전적 특성을 모사하고 있으므로 이를 기반으로 약물 반응성 평가가 가능하다 [10]. 게다가 동일 환자의 정상 오가노이드까지 함께 배양이 가능하기 때문에 환자별 항암제 유효 평가뿐 아니라 독성 평가까지도 함께 연구진행 할 수 있다. 또한 암 오가노이드는 biobanking이 가능하고 large-scale high-throughput drug screening (HTS)에 사용될 수 있으며 약물뿐 아니라 방사선 치료에도 사용이 가능하기 때문에 다양한 임상 치료법을 연구하는데 유용하게 사용될 수 있다. 이 때문에 환자 유래 암 오가노이드는 항암제 개발 및 암 환자별 개별 항암제 반응 예측 분야에 이미 그 가치가 높게 평가되어 유용하게 사용되고 있다.

최근에는 환자 유래 암 오가노이드의 임상 약물 반응성 예측능 검증에 관한 연구가 보고 되고 있다. 위장암 오가노이드의 약물 반응과 환자의 임상 약물 반응, in vivo 모델에서의 약물 반응을 비교한 보고에 따르면, 환자 유래 암 오가노이드는 환자 약물 반응에 대해 100% 민감도, 93% 특수성 및 88%의 예측 가치가 있다고 보고되었다 [11]. 항암제와 방사선 병용 치료의 경우, 직장암 오가노이드와 모체 환자의 chemoradiation 반응률을 비교했을 때 암 오가노이드는 84% 정확률, 78%의 민감성을 보인다고 보고되었다 [12].

하지만 정확한 환자의 약물 반응성을 예측하기 위해서는 암 오가노이드 기반 항암제 스크리닝에는 극복해야 할 문제가 몇 가지 존재한다. 현재 암 오가노이드를 마트리겔에 쌓아 웰 플레이트 위에 돔 형식으로 굳혀 컬쳐 하는 방식(Matrigel drop-well plate culture method)을 사용하여 대부분 배양 및 약물 검사를 실시하는데 이 방식의 경우 대량 배양에는 적합하나 암 오가노이드를 대상으로 표준화된 항암제 평가를 실시하기에는 영양분, 성장 및 분화 인자의 분배 불균형 및 암 오가노이드 간 크기, 개수 측면에서 하나의 웰 안에서도 웰간사이에서도 Variation이 크기에 어려움이 많다 [13]. 이런 환경은 동일 약물 양과 농도에 노출된 오가노이드 수, 각 오가노이드의 성장 방향과 크기의 다양성을 야기하여 한 오가노이드 당 약물이 노출되는 정도의 불균형을 만들기 때문에 이 격차들로 인해 정확한 약물 반응성 결과를 도출하기가 어렵다. 즉, 표준화된 암 오가노이드를 배양하고 배양 인자 및 약물의 노출 정도가 균일한 상태에서 약물 반응성을 평가할 수 있는 다양한 기술들이 필요하다. 최근 들어 다양한 암 오가노이드를 표준화된 상태로 배양한 후 약물을 평가할 수 있는 다양한 플레이트 및 미세유체칩 개발이 보고 되고 있다. 표준화된 상태의 암 오가노이드도 모체 조직의 유전체적/형태학적 특징을 모사할 수 있으며 이들을 대상으로 항암제 감수성 평가를 진행했을 때 모든 웰간 암 오가노이드의 크기 및 수가 동일하기 때문에 동일 약물의 양과 농도에 따른 반응 결과의 격차가 크지 않았다 (그림 3) [14].


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그림 3. Hydroplate plate 기술을 이용하여 배양한 표준화된 오가노이드.


환자 유래 오가노이드 제작 환경에도 문제가 있다. 오가노이드 프로토콜이 연구자마다 다르며 제작률 또한 상이하다 [15]. 오가노이드의 배양에서 세포외기질 환경을 만들어주는 기질 성분도 오가노이드 연구 사이의 재현성에 영향을 미칠 수도 있다. 특히, 가장 흔히 쓰이는 세포외기질 성분으로 마트리겔을 사용하는데 마트리겔은 쥐의 육종에서 유래한 물질이기 때문에 재생 의학에서의 오가노이드 이식 부분에 있어 안정성 문제도 제기되고 있다 [16]. 그리고 임상적 치료 결정을 위해 오가노이드 기반 약물 반응성 평가를 진행하는 데 있어 대부분의 오가노이드의 제작 시간이 너무 오래 걸린다는 점이 있다. 보통의 오가노이드의 제작 기간은 몇 주에서 몇 달이 소요되는데, 실제 co-clinical avatar로서 사용하기 위해서는 제작 시간이 더 짧아져야 한다 [15].

오가노이드 배양 및 약물 평가 기술이 발달함에 따라 암 오가노이드의 약물 반응성 결과와 환자의 임상 약물 반응성 결과를 비교 분석할수록 암 오가노이드 모델의 고도화 필요성이 대두되고 있다. 오가노이드는 줄기세포 및 상피세포 배양에 최적합된 배양 조건에서 배양되기 때문에 대부분의 오가노이드는 오직 상피세포만으로 구성되어 있다 [17]. 암 오가노이드 또한 암세포만으로만 구성돼있기 때문에 다양한 임상의 반응성을 예측하는데 한계가 있다. 이는 암 조직 또한 암세포 외 여러 미세환경을 구성하는 세포와 세포 외 인자들 속에서 성장하며 발달하기 때문이다. 특히나 암세포는 항암제로부터 내성 및 회피를 위하여 종양미세환경 속 인자들을 이용하기 때문에 암세포만으로 구성된 암 오가노이드만을 대상으로 항암제를 평가하기에는 한계가 있다 [15].

아직 발전이 더 필요하지만 고도화되고 표준화된 오가노이드 배양기술은 항암제 반응 평가에 필수적인 기술임에는 틀림없다.

2.4. Organoid-on-a-chip

이를 극복하기 위해 여러 공학적인 요소를 기반으로 한 오가노이드 배양 기술이 발전하고 있다. 특히, microfluidic technology가 3차원 세포 배양 기술과 접목되면서 오가노이드의 구조적 생리학적 특성을 주변 환경을 조절함으로써 개선시킬 수 있었다. 이 기술을 “Organoid-on-a-chip”이라고 하며 Chip 환경에서 오가노이드는 기존의 drop well 방식의 배양 환경에서 보다 빠르게 성장하며 좀 더 다양한 환경 속에서 오가노이드를 배양할 수 있게 된다. 이미 다양한 장기의 오가노이드들이 Organoid-on-a-chip 기술로 배양되었다. Organoid-on-a-chip에서 오가노이드를 배양할 때에는 주변 세포와 함께 배양하거나 세포외기질 환경에서 오가노이드가 배양 가능하다. Microfluidic culture system은 ECM (Extracellular matrix), Media 구성, Fluidic shear stress (FSS), 내피세포를 포함한 여러 세포와의 공배양을 포함한 여러 매개변수를 설정하여 세포를 배양할 수 있다. Kidney-on-a-chip의 경우 혈관 내피세포와 함께 높은 FSS 조건에서 공배양해줄 시 현저하게 혈관 구조와 성숙도가 향상되는 동시에 사구체 세분화가 유도되었다(그림 4). 즉, Microfluidic chip에 대한 유체 흐름의 조절이 오가노이드 성숙과 혈관 형성에 큰 영향을 줄 수 있음이 증명되었다 [18].


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그림 4. Kidney organoid-on-a-chip.
(A) Kidney-on-a-chip 실험 모식도 (B) shear stress효과에 따른 신장 오가노이드 분화 결과를 보여주는 면역형광염색 결과: NPHS1 (podocyte, red), PECAM1 (vascular endothelial cell, green), LTL (proximal tubules, white), and DAPI (nuclei, blue) (C) 혈관세포와 함께 공배양한 오가노이드와 그렇지 못한 오가노이드의 coverage area 당 신장 세포 특이적인 항체 발현 영역 그래프(왼쪽)와 오가노이드에서의 신장 세포 특이적인 항체 발현량 분석 그래프 (오른쪽)


이 Microfluidic chip 기술을 암세포에도 적용을 하면 좀 더 고도화된 암 모델을 chip 내에서 재현할 수 있다. 암세포의 특징을 조절하는데 중요한 역할을 하는 암 조직 내 종양미세환경인자와 암세포 간의 상호작용을 통해 좀 더 환자 체내의 암 조직과 유사한 환경을 재현할 수 있게 된다. 암세포를 3차원 배양하는 동시에 암 관련 섬유아세포(Cancer associated fibroblast; CAF)나 면역세포 같은 종양미세환경세포와 공배양할 시 그들 간의 상호 작용을 연구할 수 있음이 증명되었다 (그림 5). CAF와 면역세포뿐 아니라 암세포와 혈관 네트워크를 기반으로 하는 종양미세환경의 Microfluidic model들도 개발되고 있다. Engineered vascular network와 암세포를 공배양하는 모델을 통해 종양혈관신생합성(Cancer angiogenesis)뿐 아니라, 원발성 종양이 주변의 조직에 국소적으로 침윤하기 위한 혈관내유입(intravasation) 과정과 혈관벽을 통해 빠져나온 후 원거리 조직에 침투하는 혈관외유출(extravasation) 과정을 Microfluidic chip 내에서 재현할 수 있다 [19]. 이 외에도 뇌 전이 비소세포 폐암 세포와 뇌암의 TME 환경에 주요 핵심인자인 astrocyte, 뇌혈관 내피 세포를 microfluidic device 기반 organoids-on-a-chip에 넣어 3차원 배양에 성공하였다 [20]. 이 환경에서는 뇌 전이 폐암 조직에서 나타나는 다양한 세포 신호전달이 매개되고 전이암세포와 TME 요소들의 상호작용에서 기인된 여러 분자생물학적 특징들이 재현되었다. 그리고 이런 모델에 다양한 약물을 처리 시 TME가 있는 환경과 그렇지 못한 환경 간 약물 반응성 차이가 나타났다 (그림 6). 본 결과들은 이와 같은 모델을 이용하면 효과적인 anti-cancer therapy의 new target molecule를 찾아낼 수 있는 가능성까지 보여준다.


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그림 5. 종양미세환경을 재현하는 tumor organoid-on-a-chip platform.
(A) 암세포와 CAF 공배양 chip 모식도와 (B) chip안에서의 두 세포 간 상호작용 모식도 (C) 암세포와 면역세포 공배양 chip 모식도

 


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그림 6. Microfluidic device 기반 뇌전이폐암 종양미세환경 모델.
(A) 뇌전이폐암 TME 모식도 (B) 뇌전이폐암 TME 모델 제작을 위한 Microfluidic device 모식도 (C) TME 환경이 재현된 모델과 그렇지 못한 모델 간의 분비 사이토카인 발현 비교 (D) (C) 데이터를 정량화한 그래프 (E) 뇌전이폐암 TME 모델에 다양한 약물을 처리한 후 암세포의 viability를 측정하는 실험 모식도

 


뿐만 아니라, Organoid-on-a-chip 기술을 사용하면 여러 장기의 오가노이드를 함께 배양할 수도 있다 (그림 7). 실제 인체 내 조직은 다양한 Microenvironment 뿐 아니라 여러 장기와의 상호작용 속에서 존재한다. Multi-organoids-on-a-chip은 여러 장기의 오가노이드를 각 장기의 특성에 맞게 디자인되고 상호작용을 재현할 수 있는 Microfabricated device이다. Skardal 연구진들은 심장, 간, 폐 오가노이드를 포함한 Multi-organoids-on-a-chip을 개발하였다 (그림 7C). 이 chip은 circulatory perfusion system을 설치하여 유체 흐름을 조절한 모듈식 플랫폼이다. 그리고 이 플랫폼 내에 약물을 처리 시 약물의 효과와 더불어 다른 장기와 공배양 시 약물의 효능 변화까지 예측할 수 있음을 증명하였다 [21].

즉, 암을 대상으로 한 Microfluidic chip 모델은 환자마다 다양한 종양미세환경을 재현하면서 다양한 장기와의 상호작용까지 재현함으로써 정밀의료를 위한 치료 전략을 개선하는데 핵심 역할을 할 수 있을 것이다 [19, 22].


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그림 7. organoid-on-a-chip system.
(A) 간 오가노이드와 혈관내피세포인 HUVEC cell을 공배양할 수 있는 organoid-on-a-chip 모식도 (B) 다양한 장기와의 공배양이 가능한 microfluidic array. 간 오가노이드-장 오가노이드-위 오가노이드가 연결된 가능한 microfluidic array (C) 심장-간-폐 오가노이드 배양 모듈과 약물 처리 결과를 보여주는 그림 (D) Bleomycin 치료 후 3종의 장기를 함께 배양한 심장 오가노이드의 박동은 감소되었지만, 심장 오가노이드만을 배양했을 때는 이러한 약물 반응이 나타나지 않음을 보여줌.


3. 결론

환자 유래 암 오가노이드는 환자마다의 암 조직 속 암세포가 가진 고유의 특성과 이질성을 모사하면서 장기 배양 및 biobank가 가능한 3세대 전임상 모델이다. 암 조직에서 나타나는 조직학적, 형태학적 특징을 암 오가노이드는 재현할 수 있다. 또한 동일 환자의 암뿐 아니라 정상 장기 오가노이드 제작도 가능하기 때문에 보다 안전하고 환자 별 암세포에 특이적인 항암제를 선택하는데 유용하게 쓰일 수 있다. 이 때문에 환자별 맞춤형 치료를 위한 정밀의료 연구에 환자 유래 암 오가노이드 모델은 유용하게 쓰이고 있다.

최근 들어, 암 오가노이드 모델이 환자의 임상 치료 반응성을 얼마나 예측할 수 있는지 검증하는 여러 보고들이 나왔으며 예상대로 암 오가노이드 모델은 인체 내 암세포의 항암제 및 방사선 치료 반응을 높은 유사도를 가지고 재현해 냈다. 또한 암 오가노이드를 기반으로 한 약물 스크리닝 과정에서 암의 유전적/생물학적 특성과 약물 반응성에 대한 연구는 새로운 약물 타깃을 발굴하는데 중요 역할을 할 수 있다. 이로 인해 많은 신약 개발에 암 오가노이드가 유용하게 사용될 수 있음이 증명되었고 오가노이드 시장은 점점 더 증가하는 추세에 있다 (그림 8).


환자 맞춤형 오가노이드 기반 정밀 의료 플랫폼
그림 8. 글로벌 오가노이드 시장 증가 전망.


하지만 연구가 거듭될수록 좀 더 임상 반응을 빠르고 정확하게 예측하는데 기존 암 오가노이드의 한계가 나타나고 있으며 이를 극복하기 위한 많은 연구 방법들이 개발되고 있다.

기존의 암 오가노이드 모델의 가장 큰 한계점은 바로 세포외환경이 결여 되어 있다는 점이다. 암세포를 포함하여 인체에 존재하는 세포들은 세포-세포 간 결합, 세포-세포 외 기질 간 결합을 통해 3차원 구조를 형성하면서 생존하고 있다. 그리고 이런 환경을 통해 세포들은 다양한 외부 자극에 반응하고 변화하며 살아간다. 그리고 암의 경우 TME 속의 다양한 세포들 및 기질들이 암세포의 생존과 전이에 중요한 역할을 하고 있음이 밝혀졌다. 최근에 Organoid-on-a-chip 기술이 이런 중요성과 기존 암 오가노이드의 한계를 극복할 수 있는 가능성을 보여주었다. Organoid-on-a-chip 기술은 Microfluidic device를 기반으로 개발된 기술로 여러 조직에 적합한 다양한 3D microarchitecture을 만들 수 있고 dynamic mechanical force 혹은 biomechanical force에 의한 자극을 가해줄 수 있으며 다양한 조직을 통합하여 기능적인 특성을 재현할 수 있는 장점을 가지고 있다 [23]. 즉, 특정 오가노이드를 배양하는 동시에 다양한 배양 조건 및 세포를 공배양할 수 있는 환경을 제공할 수 있다. 게다가 한 조직에서 유래한 오가노이드뿐 아니라 다양한 장기의 오가노이드를 chip 위에서 공동배양할 수 있다. 이를 통해 TME가 재현된 환경에서 암 오가노이드를 배양할 수 있으며 다양한 전이 모델을 체외에서 재현할 수 있다.

오가노이드 배양 기술을 기반으로 여러 장기의 오가노이드가 배양되었고 암을 포함한 다양한 질병 모델도 체외에서 구축이 가능해졌다. 특히 암 오가노이드의 경우 개별 환자의 인체 내 암 특징을 고도화된 수준으로 모사할 수 있기에 많은 제약회사, 바이오 산업체 및 연구소에서 암 오가노이드를 이용한 여러 항암 치료 연구를 진행하고 있다. 게다가 공학적인 요소가 결합되면서 좀 더 인체와 유사한 생체 모사 암 모델이 구축 가능 해졌으며, 면역항암제 등 최근에 임상에서 유효함이 보이나 과학적으로 증명이 필요한 next generation 항암제 연구도 환자를 대신하여 체외에서 가능해질 수 있을 것으로 생각된다. 이런 특성으로 환자 유래 암 오가노이드는 신약 개발 및 정밀 의료 연구에 이용 가능한 환자 아바타 모델로 자리매김할 것이라고 기대한다.


4. 참고문헌

==>첨부파일(PDF) 참조

 

 

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저자 김민서

약력
㈜ 넥스트앤바이오 책임연구원 (2022-)
고려대학교 기계공학부 겸임교수 (2022-)
서울아산병원 의생명연구소 박사후연구원 (2017-2022)
울산대학교 의학과 리서치펠로우 (2016-2017)

주 연구 분야
(1) 종양생물학
(2) 줄기세포
(3) 오가노이드 온 어 칩
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김민서(2022). 환자 맞춤형 오가노이드 기반 정밀 의료 플랫폼. BRIC View 2022-T24. Available from https://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=report&id=4465 (Dec 29, 2022)
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