생명연, 고순도 줄기세포 대량 배양 성공

인체장기 모방 ‘오가노이드’서…상피세포 분화기술도 확보

재생치료 등에서 수요가 높은 고순도 줄기세포를 대량으로 만드는 기술이 개발됐다.

한국생명공학연구원(원장 김장성, 이하 생명연)은 줄기세포융합연구센터 손미영 박사팀(제1저자 권오만 박사)이 인간 장(腸) 오가노이드에서 장 줄기세포를 농축 배양할 수 있는 기술을 세계 처음 개발하는 데 성공했다고 7일 밝혔다.

이 기술은 인간 장 줄기세포를 대량 배양 및 동결 보관할 수 있다.

연구진은 향후 재생치료제 개발 및 다른 신약 개발 기초연구에 널리 활용될 수 있을 것으로 기대됐다.

제1저자 권오만 박사(왼쪽)와 교신저자 손미영 박사.(사진=생명공학연구원)

오가노이드는 줄기세포나 조직공학 기술을 활용해 제작한 인체 장기유사체로 매우 높은 수준으로 인체 장기를 모사할 수 있다. 동물 대체실험이나 신약 개발, 재생치료 등의 분야에서 많이 활용된다.

또 줄기세포는 신체를 구성하는 세포로 분화하는 능력이 있어 재생, 인공장기 형성, 세포 치료 등에 이용 가능하다.

그러나 줄기세포는 생체 내에서 한정된 양으로만 존재할 뿐 아니라 배양이 어려운 단점이 있다. 또 채취하면 안정적인 보관이 필수적인데, 장기간 보관이 어려워 안전하고 효율적으로 줄기세포를 얻을 수 있는 기술 개발 수요가 늘 따라 다녔다.

연구팀은 인간 전분화능 줄기세포를 이용해 만든 3차원 장 오가노이드에서 고순도 인간 장 줄기세포 집합체를 대량 배양할 수 있는 기술을 개발했다.

단일 세포 전사체 분석을 통해 장 줄기세포 집합체들이 고농축 되어 있음을 확인하고 이를 분리‧배양하는데 성공했다.

연구진 장 줄기세포로 동물모델 세포 조직 재생 확인 

연구팀은 "화학적 조성이 명확한 배지 환경에서 인간 장 줄기세포를 배양할 수 있게 됐다는 의미가 있다"고 설명했다.

연구팀은 생산된 장 줄기세포 집합체가 마우스 동물모델의 손상된 장 상피 세포 조직을 재생시키는 것을 확인했다. 이는 치료제로서의 이용 가능성이 있다는 것을 의미한다.

손미영 박사는 “향후 재생치료제로 개발 가능한 임상 등급의 인간 장 줄기세포를 대량 생산할 수 있는 기반 기술을 확보했다”며 “세포를 공기 중에 노출해 분화를 유도하는 기체-액체 계면(Air-Liquid Interface) 분화법을 이용해 2차원 장 줄기세포를 입체적 구조를 가진 장 상피 세포로 분화하는 기술도 같이 개발했다”고 설명했다.

장 오가노이드는 내부가 비어있는 내강(內腔, lumen)을 중심으로 상피 세포와 세포 외 기질이 둘러싸고 있는 둥근 공 형태다. 장 상피 세포가 내부의 내강에 접근하기 어려워 다양한 응용 연구에 활용하기 어렵다는 한계가 있었다.

연구팀은 스테레오 타입의 2.5차원 장 상피 세포 모델 시스템을 자체 제작했다. 이는 실제 인간의 소장을 모사할 수 있다. 내강 접근도 용이해 다양한 질환 모델 제작과 신약 개발을 위한 플랫폼 기술로 활용할 수 있다.

인간 장 줄기세포의 분리 배양 난제 해결

손미영 박사는 “재생치료제의 핵심 성분인 인간 장 줄기세포는 분리 배양이 어려워 동물 실험 의존도가 높았다”며 “전 세계에서 유일하게 대량, 장기배양이 가능한 인간 정상 장 줄기세포 모델을 이용해 다양한 기초 연구가 활성화되길 기대한다”고 말했다.

손 박사는 또 “이미 확보한 다양한 장 오가노이드 배양기술과 접목해 기초연구 수준을 넘어 기술의 실용화를 위해 더 활발한 연구 활동을 이어 나갈 것”이라고 연구에 대한 강한 의지를 드러냈다.

한편 이 연구는 지난 1월 종합과학 분야 국제 과학저널 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 온라인판에 게재됐다.

예산은 과기정통부 코리아 바이오 그랜드 챌린지 사업과 산업부 바이오산업핵심기술개발사업, 범부처 재생의료기술개발사업, 식약처 첨단독성 평가기술 기반구축사업, 생명연 주요사업으로부터 받았다.