심장 미세환경까지 구현한 '미니 장기' 개발

[이데일리 강민구 기자] 국내 연구진이 이식가능한 ‘인공장기’ 개발 가능성을 높였다.

기초과학연구원(IBS)은 조승우 나노의학연구단 연구위원(연세대 생명공학과 교수) 연구팀이 박훈준 가톨릭대 의대 교수 연구팀과 함께 복합적인 심장 미세환경을 체외에서 구현하는 심장 오가노이드 제작·배양 기술을 개발했다고 25일 밝혔다.

심장 미세환경 구현한 심장 오가노이드 제작 과정과 우수성.(자료=기초과학연구원)

오가노이드는 줄기세포와 조직공학 기술을 통해 인공적으로 만든 장기유사체이다. 신약 유효성·안전성 평가 등 활용 가능해 전 세계적으로 주목받고 있다. 다양한 심장 구성 세포로 이뤄진 심장 오가노이드는 심장의 3차원 구조와 생리적 기능을 구현해, 2차원으로 배양된 기존 세포 모델보다 우수한 점이 많다. 하지만 개체 간 크기·기능 편차가 크며, 분화도·성숙도·기능성이 심장 수준에 미치지 못한다. 약물 평가의 정확도를 떨어뜨리고 이식 후 조직 재생 효과를 보장할 수 없어 실질적인 응용이 어려웠다.

연구팀은 심장의 물리적·생화학적 미세환경을 오가노이드에 구현해 기존 오가노이드의 한계를 극복했다. 장기 맞춤형 조직공학 기술을 개발해 새 형태의 심장 오가노이드를 제작했다. 심장의 다양한 세포 구성을 구현하고자 인간 유도만능줄기세포로부터 분화된 심근세포 외에도 심장 섬유아세포, 혈관내피세포까지 세 종류의 세포를 혼합했다. 이후 혼합된 세포를 심장 조직 유래의 세포외기질 지지체 내에 배양해 심장 오가노이드를 제작했다.

심장 내 혈류가 흐르며 산소와 영양분이 공급되는 동적 미세흐름을 구현하고자 미세유체 칩을 활용한 동적 배양법도 개발했다. 미세유체 칩은 오가노이드 챔버와 배양액 챔버가 마이크로 크기의 채널들로 연결돼 있다. 이를 교반기 위에 올려놓는 방식으로 간단히 미세흐름을 제공했다.

이 배양법으로 기존의 정적 배양법과 달리 산소와 영양분을 오가노이드 내부까지 공급할 수 있었다. 이는 오가노이드의 생존율을 높이고 장기배양을 가능케 했다.

연구팀은 오가노이드의 응용 가능성도 검증하고, 심근경색을 유발한 쥐에 심장 오가노이드를 이식해 심장 재생치료 가능성을 확인했다. 오가노이드가 이식된 쥐의 심장은 수축 기능 향상, 섬유화 감소, 손상된 조직의 재생 효과를 나타냈다.

조승우 교수는 “오가노이드는 체외 모델 플랫폼으로 신약 개발 효율성을 높이고, 심장 조직을 근본 재건하는 재생치료제로 활용할 수 있다”라며 “개발한 조직공학 기술을 다른 장기 오가노이드에도 접목해 바이오산업, 임상 치료에 적용할 것으로 기대한다”라고 말했다.

연구결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 온라인판에 지난달 22일 게재됐다.