의학약학 고려대학교 (2021-07-14)

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암환자 모사체 대량 배양하여 약물효과를 스크리닝하는 플랫폼 개발
 
고려대학교 정석 교수팀(공과대학 기계공학과/KU-KIST융합대학원) 소속 정용훈 박사과정 학생이 연세대 세브란스 병원 민병소 교수의 공동 지도 아래 환자의 장기 조직으로부터 채취한 성체줄기세포를 이용하여 만든 장기 모사체 오가노이드(Organoid)를 균일하게 대량 배양하고 분석하는 플랫폼을 개발했다. 이를 통해 기존의 오가노이드 약물 스크리닝의 정확성과 효율을 높였다.

이번 연구 결과는 한국시간 7월 1일 세계적 학술지 Biomaterials(IF:12.479)에 출판됐으며, 연구에는 김진아 고려대 연구교수와 넥스트앤바이오의 연구진도 함께 협력했다.
– 저자정보 : 정용훈 석박통합과정(제1저자, 고려대학교), 김진아 연구교수(교신저자, 고려대학교), 정석 교수(교신저자, 고려대학교), 민병소 교수(교신저자, 연세대학교) (총 4명)
– 논문명 : Drug screening by uniform patient derived colorectal cancer hydro-organoids
– 논문게재지 : Biomaterials
 
오가노이드란 성체줄기세포 혹은 만능유도줄기세포를 이용하여 인체 장기의 구조, 구성, 기능을 모사하는 3차원 세포 구조체이다. 이 중 성체줄기세포를 활용한 오가노이드의 개념은 한스 클래버스(H. Clevers) 그룹에 의해 널리 사용되게 되었는데, 이러한 오가노이드는 인체의 특정 조직이나 장기의 구조를 발달과정부터 유사하게 모사할 수 있으며, 특정 질병 또한 모사할 수 있다.

이러한 오가노이드의 장점은 기존 배양 접시의 2차원적인 세포 구조와는 다른, 3차원 구조체로 배양할 수 있다는 점이며, 이를 통해 특정 조직이나 장기의 대표적인 구조와 기능을 체외에서 모델링할 수 있다는 점이다. 오가노이드 배양 과정에서 가장 많이 사용되는  Matrigel의 경우 세포외기질(Extracellular matrix) 요소인 라미닌(Laminin)과 콜라겐(Collagen) 등을 가지고 있는 하이드로젤로, 소수의 성체줄기세포에서 다양한 조성과 복잡한 구조를 형상하는 오가노이드의 배양을 지지하는 역할을 하지만, 이렇게 자란 오가노이드는 그 크기와 형태가 제각각 다르며 표준화가 되어 있지 않은 한계가 있다. 이렇게 균일하지 않은 오가노이드에 효과를 확인하고자 하는 약물을 처리하였을 때, 오가노이드 내 세포의 반응이 균일하지 않고 오류가 크며, 정량화가 어렵다는 한계가 존재했다.
* 세포외기질 (Extracellular matrix): 동물에서 구조적 지지를 하는 조직이다. 결합조직에 포함되며, 여러세포 사이의 공간을 채우는 기질이다.

연구팀은 균일한 크기 및 구조를 가진 오가노이드를 대양 배양할 수 있는 Hydro Plate를 개발, 배양한 균일한 오가노이드를 Hydro Organoid로 명명했다. 연규팀은 개발된 플랫폼을 이용하면 기존 오가노이드 약물평가 진행 시 발생하던 결과 값의 큰 편차를 없애어 분석의 정확성을 높일 수 있음을 증명했다. 또한 개발된 플랫폼에서 배양된 Hydro Organoid가 기존 Matrigel 지지체에서 자란 오가노이드와 구조 및 기능면에서 차이가 없음을 각종 단백질과 유전체 분석을 통해 확인했다. 개발된 Hydro Plate는 기존 96웰 플레이트에 기반을 두어, 상용화된 다양한 고속 분석 장비에 문제없이 사용할 수 있으며, 96웰의 각 웰 안에 4개, 6개 혹은 9개의 서브 웰들이 통합되어 사용자가 쉽게 통계처리를 진행할 수 있다.

해당 기술을 통해 기존에 사용되던 2차원 세포 배양 기반 약물 평가 방법이나, 3차원 스페로이드 기반 약물 평가 방법들 보다 인체와 훨씬 더 유사한 장기 모사체를 대량으로 균일하게 배양할 수 있게 됐으며, 항암제와 같은 다양한 약물의 분석을 대량, 고속으로 진행할 수 있게 됐다. 세브란스병원의 민병소 교수와 넥스트앤바이오는 이 플랫폼을 통해 대장암 환자의 치료 과정에서 환자유래 오가노이드를 이용, 환자의 특성에 맞춘 최적의 치료 조합을 찾아내는 플랫폼을 개발 중이다.

 

[그림 1] A) 정량화된 오가노이드를 제작하는 96웰 플레이트 기반의 Hydro plate. B)플레이트 내에서의 생성과정을 보여주며, C)기존 메트리젤 내에서 자라는 다양한 모양의 오가노이드들. D) Hydro plate내에서 자라는 Hydro organoid. 균일하여 정량화 가능한 모습을 보여준다. E) 기존 메트리젤 내에서 키워진 Matrigel organoid와 Hydro organoid간의 단백질 염색을 진행 하였을 때, 차이 없이 분화된 세포들이 발현되는 것을 확인하였으며, 균일한 Hydro organoid들의 모양과 사이즈를 확인 할 수 있다. F) 각 타입 오가노이드들의 면적을 구하여 균일도를 측정하였다.

 

[그림 2] 두 그룹에 약물을 처리 후 재현성 확인. A) 환자에게 처리된 약물을 바탕으로 두 그룹 오가노이드에 총 6일간 2일간격으로 약물 처리. B) 메트리젤 내에서 키워진 기존 오가노이드는 다양한 모양을 보이며 약물의 효능을 보기 힘들다. C) Hydro organoid의 경우, 균일한 크기를 바탕으로 약물 농도별 확연한 차이를 보여준다. D) 기존 오가노이드에서 약물 재현성을 확인할 경우 편차가 크게 존재한다. E) Hydro orgaonid에서 약물 평가 후 재현성이 아주 균일하게 나타난다. F) 기존 오가노이드 그룹의 경우 최대 1.9배 가량 차이나지만, Hydro organoid 그룹에서는 1.1배 밖에 차이나지 않는다.