August 19,2019

줄기세포로 ‘인공 폐’ 만든다

기관지, 허파꽈리 조직세포 생성 성공

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과학자들이 인공 폐를 만들고 있다. 25일 사이언스 데일리는 미시간 의과대학 등 다수의 기관들이 참여한 공동 연구팀이 줄기세포를 배양하는 방식으로 인체 조직과 유사한 인공 폐를 만들고 있다고 전했다.

기증받은 폐에서 줄기세포를 떼어내 적절한 영양과 산소를 공급하고 분화 조절을 유도해 사람의 폐 조직과 유사한 유사장기(organoid)를 만드는 방식이다.

유사장기란 조직 및 배아줄기세포로부터 분리해낸 세포를 삼차원 배양법으로 다시 응집시키고, 재조합해 만든 세포 집합체를 말한다. 유사장기를 이용할 경우 이론적으로 장기의 일부나 장기 전체를 완전한 형태를 만들 수 있다.

100일 동안 살면서 폐 세포 조직 생성해

많은 과학자들은 지금 진행되고 있는 이 연구가 향후 의학 전반에 패러다임을 바꾸어놓을 만큼 잠재력을 지니고 있다고 보고 있다. 그리고 지금 미국에서 오가노이드(organoid), 즉 인공장기를 만드는 작업이 한창이다.

미시간 의과대학 등 다수의 기관들이 참여한 공동 연구팀이 줄기세포를 배양하는 방식으로 인공 폐를 만들고 있다. 사진은 미시간 대 연구팀 에서 공개한 유사장기(organoid). 스스로 폐와 같은 장기의 특정 부위를 생성해낼 수 있다.   ⓒUniversity of Michigan Health System

미시간 의과대학 등 다수의 기관들이 참여한 공동 연구팀이 줄기세포를 배양하는 방식으로 인공 폐를 만들고 있다. 사진은 미시간 대 연구팀 에서 공개한 유사장기(organoid). 스스로 폐와 같은 장기의 특정 부위를 생성해낼 수 있다. ⓒUniversity of Michigan Health System

인공장기를 만들고 있는 연구팀에는 미시간 의과대학을 비롯, 캘리포니아대, 신시내티 아동병원, 시애틀 아동병원, 워싱톤대 등의 연구진이 함께 참여하고 있다.

내과의사이면서 미시간 의과대학에서 줄기세포와 발생생물학을 가르치고 있는 제이슨 스펜스(Jason Spence) 박사는 “연구팀 관계자에 따르면 최근 유사장기를 통해 기관지와 가스교환이 이루어지는 허파꽈리 세포조직을 생성시키는데 성공을 거두었다”고 밝혔다.

지금은 “유사장기를 통해 폐의 핵심기능인 가스교환과 혈관 조직을 분화시키는 일에 많은 노력을 기울이고 있다”고 말했다. 유사장기를 만드는 일이 가능해진 것은 과거의 2차원 연구 패턴을 3차원으로 바꾸었기 때문이다.

그동안 과학자들은 2차원(2D) 상태에서 줄기세포를 분석하고, 실험을 행하는 방식의 연구를 진행해 왔다. 실험용 접시 위에서 얇은 층을 형성하면서 성장하고 있는 줄기세포를 평면 구조로 판별한 후 그 자료를 기초로 줄기세포 연구를 해나가는 식이었다.

그러나 지금의 연구진은 실제 자라고 있는 줄기세포들이 2차원이 아니라 3차원으로 존재하고 있다는 사실에 주목하고 모든 연구과정에 3차원 분석을 시도했다. 그리고 지금 인공으로 세포조직을 분화시키는 유사장기를 개발하고 있다.

“유사장기 개발 시 의학 발전에 큰 도움”

우리 인체의 주인이라고 할 수 있는 태반의 배아줄기세포는 배엽 가운데 가장 안쪽에 있는 내배엽(endoderm)으로 분화돼 폐와 간, 갑상선 등 여러 종류의 장기를 생성해낸다. 연구팀은  이 장기 생성과정에서 변화를 주었다.

여러 경로의 발생과정이 있는데 일부 발생과정을 촉진하고, 또 다른 발생과정은 억제하는 방식으로 내배엽 안에서 초기 폐 조직과 유사한 세포조직을 생성해냈다. 그러자 이 세포조직이 살아 움직이면서 100일 동안 폐 기능을 가진 세포 조직(유사장기)을 생성해냈다.

내과의사이면서 미시간 의과대학에서 줄기세포와 발생생물학을 가르치고 있는 제이슨 스펜스(Jason Spence) 박사는 “ 생성된 세포조직들이 사람의 폐와 거의 일치할 만큼 유사성을 지니고 있었다”고 말했다.

자신감을 얻은 연구진은 연구 범위를 위, 뇌, 간, 장(창자) 등 다른 유사장기 개발로 확대하고 있는 중이다. 스펜서 박사는 “향후 완성될 유사장기(organoid)들이 향후 의학 발전에 큰 도움을 줄 수 있을 것”으로 확신했다.

유사장기를 활용할 경우 폐 등 다양한 장기들이 각종 질병에 어떻게 대응하는지, 또 새로 개발한 의약품을 인체에 투입했을 때 어떻게 반응하는지 등을 연구하는데 매우 큰 성과가 기대된다는 것.

스펜서 박사는 특히 기초과학자들에게 있어서도 이 유사장기가 큰 역할을 할 수 있을 것이라고 말했다. 동물학, 세포학 등에서 도출된 연구 결과들을 이 인공 폐에 적용해보고 실제 의료현장에 적용할 수 있는 방안을 찾아낼 수 있을 것으로 내다보고 있다.

최근 인공장기에 대한 연구개발은 크게 세 가지 방식으로 진행되고 있다. 첫 번째 기술은 공학기술을 이용해 장기를 제작하는 방식이다. 최근 3D 프린터를 활용한 바이오프린팅 기술이 등장해 뼈‧연골 등을 만들고 있다.

그러나 장기 개발에는 아직 이르지 못하고 있는 상황이다. 이밖에 재생의학, 줄기세포를 활용하는 방식이 있는데 줄기세포를 이용한 방식이 큰 주목을 받고 있다. 특히 줄기세포 스스로 장기를 생성할 수 있는 유사장기 개발에 관심이 모아지고 있다.

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