오가노이드가 상처 재생을 돕는다
국내 연구진이 우리 몸의 1차 방어기관인 피부를 모사한 기능성 상피 오가노이드를 개발했다.
한국생명공학연구원(원장 김장성, 이하 생명연)은 환경질환연구센터 이정운 박사 연구팀이 상처 치료를 촉진하는 3차원 피부 상피 모델 개발에 성공하였다고 밝혔다.
오가노이드(organoid)는 인체 장기 등에서 추출한 조직 샘플이나 줄기세포를 3차원으로 증식해 만든 장기유사체로 생체 내외의 특성을 모사할 수 있어 질병 메커니즘 연구, 신약개발과 같은 다양한 바이오 분야에서 활용 중이다. 뇌(腦), 위(胃), 장(腸), 간(肝) 등 여러 신체 기관을 비롯해 피부도 오가노이드를 통해 다양한 연구가 진행되고 있다.
그동안 피부 상피 연구는 일반적으로 사람의 표피에서 분리한 각질형성세포를 2차원 배양한 세포주를 이용했지만, 세포 간 상호작용과 같이 세포 본연의 생리 조건을 모사하는 데에는 한계가 있었다. 각질형성 세포를 분리하여 오가노이드로 배양하는 방법이 개발되었지만, 양산성 등에서 여전히 한계가 있어 새로운 모델 개발에 대한 수요가 높다.
이에 연구팀은 마우스 유도만능줄기세포를 이용해 피부 상피 오가노이드를 개발하였다. 이번에 개발된 상피 오가노이드는 피부 조직 내 상피 줄기세포를 포함하여 실제 표피와 동일하게 기저층, 유극층, 과립층, 각질층의 4개 상피 세포층 구조로 구성되어 있다.
기존의 각질형성 세포 유래 오가노이드보다 상피 줄기세포군을 많이 포함하고 있고, 미세환경 변화에 따라 모낭 줄기세포군으로의 분화 능력이 향상된 특징이 있다. 연구팀은 개발한 오가노이드의 피부재생 효과도 확인하였다.
세포외소포체(extracellular vesicles, EVs)는 세포 내에서 생성되어 외부로 방출되는 나노 크기의 분비체로 핵산, 대사물질, 단백질 등 다양한 생체분자를 포함하여 세포 간 정보교환과 조절기능을 하며, 조직 재생, 염증과 면역 반응 조절, 항상성 유지 등에서 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다.
연구팀이 개발한 오가노이드는 다량의 세포외소포체를 분비해 상피세포 배양 복합체보다 우수한 상처 치료 효과를 나타내며 피부질환 모델로서 활용 가능성을 높였고, 나아가 세포외소포체 공급원으로서의 오가노이드를 이용한 첨단치료제 개발의 새로운 가능성을 제시했다.
연구책임자인 이정운 박사는 “새롭게 개발된 생체 외 피부 모델을 통해 질병, 노화 등 피부재생에 영향을 주는 다양한 물질을 평가할 뿐만 아니라 치료제 개발의 기초자료를 제공할 수 있게 되었다”라며, “향후 진행 중인 인체 생체 외 피부 모델과 함께 생물학적 및 임상 연구에 주요하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.”라고 밝혔다. 한편 이번 연구성과는 3월 6일 세계적인 과학저널인 Biomaterials(IF 14.0) 온라인 판에 게재되었으며, (논문명 : Development of pluripotent stem cell-derived epidermal organoids that generate effective extracellular vesicles in skin regeneration / 교신저자 : 이정운 박사 / 제1저자 : 곽소정 박사) 생명연 주요사업과 과기정통부 중견연구사업, 우수신진연구사업, 세종과학펠로우십의 지원으로 수행되었다.
연 구 결 과 개 요
□ 연구배경
○ 피부 상피는 몸을 외부 환경으로부터 보호하고, 항상성을 유지하는데 필수적인 장벽 기능을 수행한다.
○ 기존의 피부상피 연구에서는 주로 각질형성세포가 일반적으로 활용되고 있으나, 1차 세포의 낮은 양산성과 수급 제한의 한계가 있으며, 2차원 배양법의 경우 세포 간 상호작용과 같은 생체 내 생리 조건을 모사하는 데 한계가 있다.
○ 피부 조직 내 상피의 기능 및 구조가 유사한 3차원 생체 외 모델을 활용하여 재생, 분화 등과 연관된 분자 기전을 규명하고, 다양한 영향을 평가하거나 세포 혹은 세포-프리 치료제 개발 연구가 필요하다.
○ 유도만능줄기세포는 리프로그래밍 인자의 도입을 통해 체세포를 배아줄기세포와 유사한 전분화능을 재획득하도록 만들어진 세포이며, 이를 이용하여 장기 조직별 미세 환경을 모사할 수 있는 3차원 오가노이드 플랫폼 개발이 각광받고 있다.
□ 연구내용
○ 본 연구팀은 기존의 피부 상피조직 내 각질형성세포를 직접 분리하여 제조하는 상피 오가노이드 기술을 보완하여, 마우스 유도만능줄기세포를 이용한 가소성이 향상된 상피 오가노이드를 개발하였다.
○ 개발된 상피 오가노이드는 피부 조직 내 세분화된 상피층 구조로 구성되어 있고, 상피 줄기세포군을 다량 포함하고 있을 뿐만 아니라 모낭 줄기세포군으로의 향상된 분화능을 보이고, 생체외 피부상피 등가물로 재조직화가 가능하다.
○ 차세대염기서열분석법을 통해 상피층으로의 분화와 연관된 세포 신호전달 경로를 분석하여, AP-1 전사인자가 오가노이드의 조직화에 기여하는 것을 규명하였다.
○ 더 나아가 상피 오가노이드 유래 세포외소포체를 분리 정제하고 기능적 특성을 분석하여, 세포 및 동물실험을 통해 향상된 피부 상처 치유 효과를 검증하였다.
□ 연구성과의 의미
○ 마우스 유도만능줄기세포 유래 피부상피 오가노이드의 최초 개발
- 3차원 생체 외 피부 상피 모델은 피부 발생 및 재생 기전을 규명하는데 원천 기술 연구로 활용이 기대되며, 유전적 혹은 환경요인에 의한 피부질환 모델링, 세포 치료제 및 조직 공학을 위한 새로운 플랫폼으로서 가치가 높다. 또한, 피부가 환경으로부터 노출되어 영향을 받는 다양한 물질에 대한 평가 및 안전성 연구의 기초자료를 제공하고 그에 따른 진단, 예방 또는 치료제 마련에 활용될 것으로 기대된다.
○ 상피 오가노이드 유래 세포외소포체 기반 생물학적 및 임상 연구 분야의 활용성 기대
- 본 연구는 안전성이 높은 기능적 세포외소포체를 분비하는 기원 공급원인 상피 오가노이드를 확보하여, 세포외소포체의 내부 생체분자를 규명하고 피부재생 효과를 제시함으로써 향후 피부의 세분화된 상피층 조직 모사 모델 내 세포 간 신호전달 기전의 역할을 규명하고 피부재생, 분화, 장벽 강화 등의 효능과 질환 및 노화 예방과 치료 분야에 다양하게 활용될 가능성을 기대한다.
치료 분야에 다양하게 활용될 가능성을 기대한다.
연 구 결 과 문 답
이번 성과 뭐가 다른가
1. 마우스 유도만능줄기세포로부터 상피 오가노이드 모델을 최초로 개발함.
2. 상피 오가노이드 유래 세포외소포체의 기능적 생체분자 분석과 피부 상처 치유 효과를 규명함.
어디에 쓸 수 있나
1. 생체외 피부 모델을 제공함으로써 피부 발생, 재생 등 분자기전 규명 연구에 활용 가능하며, 질환 모델링, 신약 및 치료제 개발, 피부 독성 시험 평가 등에 유용하게 활용 가능함.
2. 향후 피부 재생 의학 분야에서 세포 치료제의 공급원뿐만 아니라 오가노이드 유래 세포 외 소포체의 세포-프리 치료제의 기원 모델로 활용 가능함.
실용화까지 필요한 시간은
상피 오가노이드와 유래 세포외소포체의 안정적인 대용량 생산공정, 정밀하고 균일한 품질관리 시스템 개발 및 오가노이드 분화와 특성 분석기술에 소요되는 시간에 따라 결정될 것으로 추정됨.
실용화를 위한 과제는
1. 인체 상피 오가노이드의 분화 기술 개발과 GMP 및 scale-up 제조 공정의 개발
2. 세포 외 소포체의 수급 수율 향상, 검증 및 분석법의 개발
연구를 시작한 계기는
본 연구팀은 지속적으로 줄기세포 기반 모델을 개발해 왔음. 피부상피 조직이 우리 몸의 1차 방어기관으로 중요성이 높은데 아직까지 상피 조직을 모사하는 줄기세포 기반 모델이 개발되지 않아 본 연구를 수행하게 되었음. 또한, 단일 세포 보다 오가노이드 같은 세포 복합 모델 유래 세포 외 소포체가 조직의 기능성을 더 모사한다고 알려져 있으므로 2차원 및 3차원 모델 유래 세포 외 소포체의 기능성을 비교 분석하는 연구를 시작하게 되었고 3차원 모델의 유효성을 밝히는 계기가 되었음.
에피소드가 있다면
유도만능줄기세포 유래 피부 및 상피 오가노이드 분화 기술을 수개월에 걸친 시행착오를 거쳐 비교하여 구축할 수 있었고, 줄기세포 분야 연구 과정뿐만 아니라 세포 외 소포체 분석 및 실험동물 평가 실험 등을 도입하는 과정에서 관련 분야의 새로운 지식을 습득할 수 있었음. 해당 연구 과정이 향후 융합연구 수행에 기반이 될 것으로 사료됨.
꼭 이루고 싶은 목표는
후속 개발 중인 인체 모델과 함께, 임상연구기관 및 산업체와의 협업을 통해 피부재생, 노화, 질환 등과 연계된 치료제 후보군의 효능과 독성을 평가하고 세포 외 소포체의 적용 범위를 확장함으로써 재생 치료 및 질환 극복 기술 개발에 기여하고자 함.
신진연구자를 위한 한마디
본인의 연구에 대한 심층적인 이해와 더불어 다양한 교류를 통해 융합연구를 시도하면서 새로운 분야를 개발하는데 관심을 가지길 바라고, 의미 있는 연구 활동에 도전하길 응원합니다.
그림1. 마우스 유도만능줄기세포 유래 피부상피 오가노이드의 분화법 개발 [사진=한국생명공학연구원]
마우스 유도만능줄기세포로부터 상피 오가노이드를 분화시켜 실제 상피조직의 역전된 세포층 구성의 3차원 배양체를 제조함
A. 상피 오가노이드로의 분화 유도 과정
B. 상피 오가노이드의 내부 각질층 형성 확인
C. 실제 상피와 같이 기저층, 유극층, 과립층, 각질층의 4개 상피 세포층 구성 확인
그림2. 상피 오가노이드의 생체외 피부상피 등가물로 재조직화 [사진=한국생명공학연구원]
상피 오가노이드를 다공성 막 기반의 Transwell에 심은 후 air–liquid interface 배양조건에서 분화를 유도하여, 생체 외 피부상피 등가물로 재조직화가 가능하다는 결과를 확인함 A. 상피 오가노이드로의 재조직화된 상피 등가물에서 외부 각질층 형성 확인 B. 상피 등가물 내 세분화된 상피 세포층 구성 확인
그림3. 상피 오가노이드에서 분비된 세포 외 소포체(EVs)의 특성 분석 [사진=한국생명공학연구원]
A, B. 상피 오가노이드의 3차원 및 2차원 배양법에 따라 분리된 세포외소포체의 특성을 분석하여, 평균 크기가 134 nm 정도의 small EVs임을 검증하고, 3차원 오가노이드에서 분비된 세포외소포체의 양이 ~2배 더 많은 결과를 확인함
C, D. 상피 오가노이드의 3차원 및 2차원 배양법에 따라 분리된 세포외소포체의 내부 생체 분자를 miRNAs 시퀀싱 (C)과 단백질 분석 (D)으로 동정함. 3차원 오가노이드에서 분비된 세포외소포체 내부에 miR-31-5p, miR-146a-5p 등과 같은 miRNAs와 혈관내피성장인자(VEGF) 단백질이 더 많이 포함된 것을 확인함
그림 4. 상피 오가노이드 유래 세포 외 소포체의 피부상처 치유 효과 [사진=한국생명공학연구원]
생리식염수(PBS), 2차원 모델 유래 세포외소포체(2D-EV), 3차원 모델 유래 세포 외소포체(3D-EV)를 면역결핍 마우스의 상처 부위에 주입하고 2주간 치유 속도를 관찰한 결과, 3차원 상피 오가노이드 모델에서 분비된 세포 외 소포체가 가장 뛰어난 상처 치유 효과를 나타냄
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BRIC(ibric.org) Bio통신원(한국생명공학연구원) 등록일2024.04.17