줄기세포로 ‘미니 장기’ 완벽 구현… 난치병 치료에 새 길 열렸다

줄기세포로 ‘미니 장기’ 완벽 구현… 난치병 치료에 새 길 열렸다

노성열 기자 |

그래픽 = 송재우 기자

■ 포스텍 신근유 교수팀 ‘어셈블로이드’개발… ‘네이처’誌 발표

다양한 세포들 모아 조립 성공
생체內 조직 변화 그대로 재현
‘맞춤형 어셈블로이드’도 개발

암세포 유동성 조절해 없애는
차세대 치료법 개발 가능해져
치매·조현병 치료에도 큰 도움

심장, 간 등 인체 장기(臟器)를 완벽하게 재현한 조립형 ‘미니(mini) 장기’가 나왔다. 살아 있는 생체의 장기를 대상으로 직접 실험하기 곤란한 약물·독성 테스트, 염색체·단백질 구조 연구 등에 요긴하게 쓰일 전망이다. 신근유 포항공과대(POSTECH) 생명과학과 교수 연구팀은 서울대병원과 공동으로 조립형 신개념 장기 ‘어셈블로이드(assembloid)’를 개발해 지난해 말 과학기술 분야 최고 권위지인 ‘네이처(Nature)’에 발표했다.

시험관에서 줄기세포를 키워 구현한 체외(體外) 조직을 ‘오가노이드(organoid)’라고 한다. 사람의 장기 구조와 같아 흔히 ‘미니 장기’ 또는 ‘유사 장기’라고 한다. 인체 장기의 기능까지 재현할 수 있어 인공장기를 만들거나 신약 개발을 위한 차세대 기술로 꼽힌다. 신 교수팀은 이번에 오가노이드를 뛰어넘어 장기 내 존재하는 모든 세포를 포함해 완벽한 인간조직을 구현할 수 있는 어셈블로이드를 순수 국내 기술로 새로 개발했다. 상피세포, 주변 기질층, 바깥의 근육세포층 등 다양한 세포를 모아 컴퓨터 조립하듯 장기를 인공적으로 만들어낸 것이다. 종래 오가노이드는 장기의 성숙한 구조를 모사하지 못하고 조직 내 주변 환경이 갖춰져 있지 않은 데다, 인체 장기의 기능 수행을 위한 다양한 세포 및 조직 사이의 상호작용이 이뤄지지 못해 암 등 다양한 난치성 질병의 모델링에 근본적 한계가 있었다.

신 교수팀이 새로 만든 어셈블로이드는 세포 구성과 단일 세포 수준에서의 유전자 발현 양상이 성숙한 성체 장기와 같고, 장기 손상에 따른 조직 재생 반응이 일어날 때도 생체 내 조직의 변화를 그대로 재현하고 있음을 확인했다. 이에 따라 정상 장기로부터 발생되는 인간 종양의 병리·생리학적 특징을 완벽히 모사하는 환자 맞춤형 ‘종양 어셈블로이드(tumour assembloid)’도 개발할 수 있었다. 유전자 조작 및 암세포 조립이 가능한 종양 어셈블로이드 플랫폼을 통해 종양 주변 환경에서 발생한 신호가 종양세포의 유동성을 결정하는 생리적 작용의 원리를 밝혔다. 이는 종양세포와 기질 세포 사이의 신호전달 피드백이 종양 가소성을 조절하는 데 중요하다는 점을 보여준다. 이 결과는 암세포의 유동성을 조절해 소멸시키는 차세대 암 치료 패러다임인 암세포변환 치료법 개발을 가능하게 했다는 평가다.

논문 제1저자인 포스텍의 김은지 씨는 “어셈블로이드를 활용하면 암이나 퇴행성 질환, 조현병, 치매 등 난치성 질병을 모델링하고 발생 기작의 규명 및 치료법 개발에 큰 도움이 될 것”이라고 설명했다. 이번 연구는 신 교수·통합과정 김은지 씨 연구팀이 한국연구재단의 중견연구, 뇌과학원천기술개발사업, 선도연구센터사업, 포스트게놈 다부처유전체사업의 지원으로 수행됐다. 구자현 서울대병원 교수, 포스텍의 김상욱 교수, 정성준 교수, 노태영 교수가 공동으로 참여했다.

노성열 기자 nosr@munhwa.com

신의영역으로 믿어왔는데 실제로 만들수 있는 신체 기관

사용자 이슈피드1 

미래 첨단 사회를 담은 SF 영화를 보면
"저게 가능한 시대가 올까?" 라는 생각이 들기도 합니다.

생명공학의 눈부신 발전을 이루는 요즘,
영화 속에서만 봐오던 기술 중에 현실에서도 가능한 것들이 있다고 하는데요.

과거에 인간의 영역이 아닌 신의 영역이라고 생각했던 부분까지도
현대 기술이 해내고 있다고 합니다.

오늘은 신의영역으로 믿어왔는데
실제로 만들수 있는 신체 기관 TOP3에 대해 알아보겠습니다.

3위 인공 자궁

자궁은 여성에게만 존재하는 신체기관으로,
임신과 출산을 위해 꼭 필요한 기관입니다.

여성들이 임신과 출산을 자연스러우며 보람찬 과정으로 여기기도 하지만
그 과정을 여성의 신체에 주는 큰 부담으로 느끼기도 하는데요.

또한 난임이나 불임 여성도 점점 늘어나고 있으며, 미숙아 문제와
일부 외국에선 대리모로 인해 윤리적 문제로 논란을 빚고 있습니다.

하지만 현재 이러한 문제점을 해결할 수 있는
기술을 개발하고 있다고 하는데요.

바로 인공 자궁 기술입니다.

인공 자궁 개발이 가능해지면
고위험 임산부들은 건강의 위험없이 태아를 길러낼 수 있으며
조산 위험이 높은 태아도 인공 자궁으로 옮겨
필요한 발달의 과정을 다 거치도록 할 수 있다고 합니다.

게다가 한쪽 성으로 기울어진 생식의 과정을 중화시켜
남성과 여성의 역할 불균형도 사라질 것으로 예측되기도 하는데요.

실제로 2017년 과학자들은 사람으로 치면
임신 23주가 된 새끼 양이 몇 주 정도 안정적으로 자랄 수 있도록
어미 뱃속과 같은 인공 자궁 장치인 바이오백을 개발했다고 합니다.

바이오백은 따뜻한 물과 소금으로 만든
양수를 채운 비닐백으로 자궁의 역할을 하는 것인데요.

양수가 차 있는 여성의 자궁 환경을 모방한 것입니다.

양수는 매일 새로 공급하며 탯줄 혈관을 통해
산소와 영양분을 공급하고 노폐물을 제거한 뒤
각종 영양분이 담긴 수액을 연결해주는데요.

실험된 양은 3~4주간 정상대로 성장했다고 합니다.

하지만 바이오백은 단순히 조산률을 줄이기 위한
인큐베이터 역할에 그치는데요.

최근 영국 케임브리지 대학연구팀이
인간 자궁 내막 조직에서 채취한 세포를 배양해
인공자궁내막을 개발하고 있다고 합니다.

그렇게 되면 여성의 난자와 남성의 정자만 제공받아
수정에서 출생까지 인공 자궁에서 일어난다고 하는데요.

그러나 과연 문제없이 건강한 태아가 태어날 수 있을지에 대한 우려와
생명의 존엄성 문제가 뒤따르기도하는 것 같습니다.

2위 인공 뇌

지난 10여 년 간 과학자들은 사람의 신장, 간, 소화기관 등을 모방한
유사 생체 장기 오가노이드를 만들어왔는데요.

오가노이드란 '미니 장기' 혹은 '유사 장기'입니다.

이 인공 장기는 인체에서 채취한 줄기세포를
3차원적으로 배양하거나 재조합해 만든 작은 장기 유사체로
신약 개발과 질병 치료,인공장기 개발 등에 활용이 가능하다고 하는데요,

최근에는 뇌 오가노이드로 생각할 수 있는
'미니 뇌'가 제작되고 있다고 합니다.

샌디에이고 캘리포니아 대학 연구진이
미숙아정도의 사고가 가능한 미니 뇌를 개발하는데 성공했다고 하는데요,

미니 뇌는 인간의 뇌보다 100만배나 작지만
2개월만에 이 작은 오가노이드에서 뇌파를 감지했습니다.

시간이 지남에 따라 다른 주파수로 뇌파를 발생시켰으며
신호도 좀 더 규칙적으로 나타났다고 하는데요,

또한, 이번 연구에서 연구진은 처음으로 미니 뇌가 성숙함에 따라
고도로 동기화된 신경 진동을 발생시킨다는 사실을 입증했습니다.

이 미니 뇌는 태아의 초기 뇌세포가
시간이 지나면서 점차 안정을 찾아나가는 것과 비슷했고
과학자들은 사람의 뇌 발달에 있어
안정된 과정으로 나아가는 단계로 추정하고 있다고 설명했습니다.

과거에 과학자들은 줄기세포를 이용해 유사 뇌를 만들긴 했지만
실제 신경세포의 활동을 모방할 순 없었는데요.

이와 다르게 미니 뇌는 미숙하지만 뇌 기능을 수행할 수 있어
뇌전증, 뇌일혈, 조현병 등 정신질환 치료는 물론
알츠하이머와 다운증후군을 연구하는 데에도
도움을 줄 수 있을 것으로 기대가 된다고 합니다.

게다가 이번 연구를 주도한 앨리슨 무오트리 박사는
미니 뇌를 모의 실험할수록 동물 실험에 의존할 필요성이 줄어들며
사람의 뇌에 진짜 효과가 있는 약물을 찾을 수 있고
실험비용도 동물실험보다 1/100 수준으로 줄어들것이라고 설명했는데요.

과학계에서도 이번 연구는
태아의 뇌 조직에 대한 연구를 대체함으로
신경학 측면에서 뇌질환이 어떻게 일어나는지
원인을 규명할 수 있는 혁신적인 사건으로 평가받는다고 하네요.

더 나아가 미래에는 '대체 뇌' 개발도
현실적으로 가능해질 전망으로 보입니다.

1위 인공 피부

아직까지도 탈모에 대한 치료제는 개발되지 않아
전세계 탈모인들의 고민을 덜어주지 못하고 있죠.

하지만 탈모로 고민하는 사람들에게 반가운 소식이 있다고 합니다.

미국 하버드 대 의대 이비인후과 칼 쾰러 교수팀이
모낭과 함께 피지선과 신경회로까지 재현한
인공피부를 개발하는 데 성공했다고 하는데요.

피부의 기능은 굉장히 다양하며,
가장 중요한 기능은 몸의 표면을 덮어 내부를 보호하는 것입니다.

피부 속에 있는 멜라닌 색소가
태양광선으로부터 인체 세포를 보호하기도 하며,
산성물질이나 병원균 분해효소 등을 분비하여
병원균 침입을 막기도 하는데요.

뿐만 아니라 기온이 높을 때엔
땀샘에서 땀을 내어 열이 밖으로 나가는 것을 도와주며
자극을 받아들이는 감각기관의 역할을 충실히 한다고 합니다.

이렇게 기능이 많다 보니 피부의 구조는
매우 복잡할 수밖에 없다는데요.

많은 과학자들이 1970년대부터 실험실 배양을 통해
이 같은 피부 조직을 인공적으로 만들려는 연구를 계속해서 했지만
복잡한 구조때문에 대부분의 인공피부는
표피와 진피 세포 일부만 재현하는 데에만 머물렀었습니다.

하지만 쾰러 교수팀은 2018년에 동물의 줄기세포에서
인공피부를 배양하는 데 성공했는데요.

머리카락 등 털 형성에 필수인 모낭세포까지
실험 배양에 성공한 경우는 이때가 처음이라고 합니다.

그 당시 털이 2mm가 채 되지않는 길이가 자라났었습니다.

현재 연구에선 그때보다 더 기술이 발전했다고 하는데요.
최대 털이 5mm까지 자라는 인공 피부를 개발했다고 합니다.

또한 피부를 보호하는 피지를 만들고
신경 신호를 전달하는 회로까지 넣었는데요.

미국뿐만 아니라 국내에서도
사람 피부 구조를 재현한 인공피부 연구가 활발하며
땀샘이 있는 인공피부도 멀지 않았다고 합니다.

이로 인해 인공피부는
피부 질환과 피부 발생 과정을 밝히는 연구는 물론
탈모 치료에도 활용될 것으로 기대됩니다.

시간이 더 필요하겠지만 과학자들이 만들어낼
완벽한 인공 피부가 개발되면 많은 도움이 될 것 같네요.

무궁무진한 기술 발전으로 인해
더욱더 편리한 세상이 도래하고 있는데요.

공상과학영화에서만 보던 기술들이
실제로 일어나는 것 같아서 기대가 되기도 합니다.

하지만 언제나 기술의 발전은 장단점을 수반하고 있죠.

이러한 변화를 아무런 의식 없이 받아들이는 것은 위험할 것 같네요.