이식 가능한 심장 오가노이드에 한 걸음 더 가까워졌다. 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 나노의학 연구단 조승우 연구위원(연세대학교 생명공학과 교수) 연구팀은 가톨릭대학교 의과대학 박훈준 교수 연구팀과 공동으로 복합적인 심장 미세환경을 체외에서 구현하는 심장 오가노이드 제작·배양 기술을 개발했다. 나아가 약물 평가, 질환 모델 구축, 재생치료와 같은 폭넓은 응용성을 검증해 머지않아 임상에도 적용이 가능할 것으로 보인다.

오가노이드란 줄기세포와 조직공학 기술을 통해 인공적으로 만든 장기유사체로, 신약 유효성·안전성 평가 등 다양한 활용이 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 아직 개체 간 크기·기능의 편차가 크며, 분화도¹⁾·성숙도·기능성 등이 실제 심장 수준에 미치지 못한다. 이는 약물 평가의 정확도를 떨어뜨리고 이식 후 조직 재생 효과를 보장할 수 없어 실질적인 응용에 어려움이 있었다.

이를 극복하고자 연구진은 심장의 물리적·생화학적 미세환경을 오가노이드에 구현해 기존 오가노이드의 한계를 효과적으로 개선했다. 우선, 장기 맞춤형 조직공학 기술을 개발해 새로운 형태의 심장 오가노이드를 제작했다. 실제 심장의 다양한 세포 구성을 그대로 구현하고자 인간 유도만능줄기세포²⁾로부터 분화된 심근세포 외에도 심장 섬유아세포, 혈관내피세포까지 세 종류의 세포를 혼합했다. 이후 혼합된 세포를 심장 조직 유래의 세포외기질 지지체³⁾ 내에 배양해 심장 오가노이드를 제작했다. 이로써 실제 심장 조직 내 존재하는 다양한 세포 간 상호작용뿐만 아니라, 세포 및 세포외기질 간 상호작용도 구현하는 심장 오가노이드를 제작할 수 있었다.

또한, 심장 내 혈류가 흐르며 산소와 영양분이 공급되는 동적 미세흐름을 구현하고자 미세유체 칩(microfluidic chip)을 활용한 동적 배양법을 개발했다. 미세유체 칩은 오가노이드 챔버와 배양액 챔버가 마이크로 크기의 채널들로 연결돼있으며, 이를 교반기 위에 올려놓는 방식으로 간단히 미세흐름을 제공할 수 있다. 이 배양법으로 기존의 정적 배양법과 달리 산소와 영양분을 오가노이드 내부까지 끊임없이 공급할 수 있었다. 이는 오가노이드의 생존율을 높이고 장기배양을 가능케 했다.

이어 연구진은 제작된 오가노이드의 응용 가능성을 검증했다. 먼저, 약물의 유효성 및 심장 기능에 이상을 일으키는 심독성을 예측하는 플랫폼으로 활용 가능하다. 부정맥 유발 위험도가 있는 약물을 오가노이드에 실험한 결과, 약물 반응이 기존 임상 데이터와 유사한 양상을 보였다. 또한, 오가노이드를 활용해 심장 섬유증, 긴 QT 간격 증후군⁴⁾ 등 심장질환 모델 제작에도 성공했다.

그뿐만 아니라 심근경색을 유발한 쥐에 심장 오가노이드를 이식해 심장 재생치료 가능성을 확인했다. 오가노이드가 이식된 쥐의 심장은 수축 기능 향상, 섬유화 감소, 그리고 손상된 조직이 정상 조직과 유사한 수준으로 재생되는 효과를 보였다. 또한, 심장 조직 내 안정적으로 생착한 오가노이드는 심근세포끼리 유기적으로 연결돼 수축 관련 신호가 원활히 전달되도록 했다. 이는 향후 부정맥 유발 가능성을 줄이는 치료제로 활용될 수 있음을 의미한다.

조승우 교수는 “이번 연구의 오가노이드는 향후 체외 모델 플랫폼으로써 신약 개발의 효율성을 높이고, 심장 조직을 근본적으로 재건하는 재생치료제로 활용 가능할 것으로 보인다”며, “개발한 조직공학 기술은 다른 장기 오가노이드에도 접목해 추후 바이오산업 및 임상 치료에 적용될 것으로 기대된다”고 전했다.

그림 설명

[그림1] 심장 미세환경 구현한 심장 오가노이드 제작 과정 및 우수성
이번 연구의 심장 오가노이드는 심근세포, 혈관내피세포, 심장 섬유아세포 총 3종의 세포를 심장 조직 유래 세포외기질(HEM)에 캡슐화해 제작됐다. 이후 미세유체 칩과 교반기를 이용한 방법으로 동적 흐름을 끊임없이 제공해 성숙한 심장 오가노이드를 제작했다. 나아가 상용화된 하이드로젤 4종과 기존 플레이트를 활용해 심장 오가노이드와의 심근 분화도를 비교해 HEM의 우수성을 확인하고자 했다. 결과적으로 HEM을 이용한 심장 오가노이드에서 3종 세포를 표지하는 단백질 발현도가 종합적으로 월등했다. 또한, 미세유체 칩을 활용한 동적 배양은 정적 배양보다 오가노이드 내부까지 산소 공급이 가능했고, 이는 오가노이드의 생존율을 높여주고 장기배양을 가능하게 했다.

[그림2] 새로운 심장 오가노이드를 활용한 약물 평가 및 심질환 모델 제작
심장 오가노이드에 전기생리학적 분석 시스템을 접목해 약물의 유효성 및 심독성을 예측했다. 심장에 미치는 영향이 잘 알려진 약물 2종을 처리하면, 약물 1(E-4031)과 약물 2(Nifedipine)에 의해 필드 포텐셜 길이(Field potential duration)가 기존에 알려진 바와 같이 농도 의존적으로 각각 연장되거나 단축되는 것을 확인했다. 또한, 부정맥 유발 위험도가 임상적으로 알려진 8종의 약물을 평가했을 때 약물 반응이 기존 임상 데이터와 유사한 양상을 보였다. 나아가 환자 유래 유도만능줄기세포를 활용해 긴 QT 간격 증후군(Long QT Syndrome) 모델을 제작해 전기생리학 분석으로 검증했으며, 외부 인자(TGF-β1) 처리를 통해 심장 섬유증 모델을 제작해 조직학 분석으로 검증했다.

[그림3] 기능적인 심장 재생 치료제로서의 가능성 확인
배양된 심장 오가노이드를 모식도와 같이 심근경색 쥐 모델에 이식해 심장 재생치료 가능성을 확인했다. 초음파 분석과 혈역학적 검사로 이식된 심장 오가노이드의 수축 기능이 크게 향상됨을 확인했고, 조직학 분석으로 섬유화 감소, 혈관화 증진 등의 효과를 관찰했다. 또한, 세포를 생체 내에서 추적하기 위해 붉은 형광 단백질(RFP)을 발현하는 심근세포로 구성된 오가노이드를 이식했다. 이식된 심근세포가 숙주 조직 내 안정적으로 생착해 성숙된 간극 연접을 발현하는 것을 조직학 분석으로 확인했다. 결과적으로 기존 방식으로 배양한 심장 오가노이드보다 심장 미세환경이 통합된 심장 오가노이드에서 재생 효과가 우수했다.

1) 분화도: 줄기세포로부터 특수한 기능을 갖는 세포로 분화된 정도(예: 심근세포). 심근세포의 경우 분화도가 높을수록 실제 심근 수준과 비슷해지고, 수축 기능과 같은 심근세포 고유 기능이 우수해지므로 약물평가용으로 활용하기 좋다.

2) 유도만능줄기세포: 만능성을 가지도록 제작된 줄기세포. 심근, 신경, 간 등 다양한 종류의 세포로 분화할 수 있다.

3) 세포외기질 지지체: 실제 조직 내에 포함된 세포들을 모두 제거하고 세포외기질(Extracellular matrix) 성분만을 남긴, 세포 및 오가노이드 배양용 지지체. 이번 연구에서는 하이드로젤 형태로 제작됐다.

4) 긴 QT 간격 증후군(Long QT syndrome): 선천성 부정맥 질환으로 돌연변이가 일어난 유전자 종류에 따라 분류됨. 이번 연구에서는 환자 유래의 유도만능줄기세포를 이용해 모델을 제작했다.