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한국실험동물학회 뉴스레터	2020년 3월
[우수 논문 소개] 신약개발에 필수적인 고기능 간 오가노이드 개발

- 기존 연구에서 증식하지 않는 간세포 한계를 오가노이드 기술로 극복 - 간독성, 약효 평가용 새로운 인체모사 간 모델 개발로, 신약개발 효율성 향상 기대 (왼쪽) 문선주, 한국생명공학연구원 줄기세포융합연구센터 UST 학생 sjmoon@kribb.re.kr (오른쪽) 손명진, 한국생명공학연구원 줄기세포융합연구센터 책임연구원 mjson@kribb.re.kr □ 한국생명공학연구원 줄기세포융합연구센터 손명진 박사팀(교신저자: 손명진/정경숙 박사, 제1저자: 문선주 학생)이 인간 전분화능 줄기세포를 이용하여 증식 가능한 3차원 형태의 인간 간 모사모델을 개발하는데 성공하였다. 신약개발 단계에서 필수적인 간독성, 유효성 평가용 인체모사 간 모델로, 동물실험과 임상시험 간극을 메우는데 활용도가 높을 것으로 기대된다. ㅇ 이번 연구는 간 연구분야의 세계적 전문지인 저널오브헤파톨로지(Journal of Hepatology, IF 18.946) 11월 호에 게재되었다. (논문명 : Generation of expandable human pluripotent stem cell-derived hepatocyte-like liver organoids. 2019, 71, 970–985)* □ 간은 재생이 잘 되는 장기이긴 하지만, 신약개발 단계에서 활용하기 위하여 간 조직을 얻는 것이 쉽지 않을 뿐 아니라, 체외에서 간 세포는 전혀 증식하지 않는 한계를 가지고 있어, 전 세계적으로 이를 극복하기 위한 기술개발이 진행 되어왔다. ㅇ 본 연구팀은 기존 2차원 간세포 분화 기술과(temporal cues), 3차원 오가노이드* 배양기술을(special cues) 조합하여, 발생 단계별 시공간의 변화를 최적화해 줌으로써, 인간 전분화능 줄기세포로부터 증식 가능하고 기능적으로 성숙한 간 오가노이드를 제작하는데 성공하였다. □ 이번 연구성과는, 기존 전분화능 줄기세포 기반 오가노이드 모델이 가지는 한계(증식하지 않고 기능적으로 미성숙)를 극복한 최초의 성과로, 체외에서 장기간 증식이 가능하고, 동결·해동이 가능하며, 기능적으로 성숙한 간 모델을 개발한 데에 그 의의가 있다. ㅇ 또한, 오가노이드가 성숙화 될수록 인체와 유사한 약물반응을 분석할 수 있어, 보다 정확한 간독성 평가가 가능함을 확인하였고, 지방간 모델을 제작하고 치료제 발굴을 수행하여, 정상 및 간 질환 플랫폼 활용이 가능함을 입증하였다. □ 연구책임자인 손명진 박사는 “동물실험에서 간독성이 없었으나 임상에서 독성을 나타내어 심각한 경우 환자가 사망하고, 막대한 비용을 들여 개발한 약물이 퇴출되는 경우가 발생하는데, 결국 신약개발의 효율성을 높이기 위해서는 ‘간 장기유사체’를 얼마나 인간과 유사한 정도로 구현(성숙화)하고, 대량으로 제공 할 수 있는가‘가 관건이다.”며 “본 모델과 같이 인체 유사도가 높은 간 모델을 비임상에 활용함으로써, 향후 신약개발 효율성 향상에 기여할 것으로 기대된다.”고 밝혔다. 연구결과개요 □ 연구배경 ○ 지난 25년간 비임상을 통과한 약물들이 시장에서 퇴출되는 비율이 20% 이상이고, 간독성이 그 주요 원인 중 하나로, 신약개발 초기 단계에서 정확한 간독성·유효성 예측이 가능한 평가 모델이 반드시 필요하다. ○ 인간 간에서 직접 분리한 일차배양 간세포가 약물대사능 등의 생체유사도가 높아 현재까지 표준모델(Gold Standard)로 사용되고 있으나, 인간 간 조직 수급이 제한적이고, 특히 체외에서 전혀 증식하지 않는 한계가 있다. ○ 또한, 현재 사용되고 있는 2D 세포기반 모델(평면적 세포배양)은 조직의 복합성 및 생체 반응을 구현하지 못하고, 동물모델은 종 (species)차에 의한 인체 반응 예측에 한계가 있어 새로운 인체 모사 모델이 요구되어 왔다. ○ 간 질환연구에 있어서도, 동물모델을 이용한 치료제 개발 연구가 장기간 수행되어 왔으나 임상에서 효과적인 치료제가 사실상 부재하고, 동물실험 반대 여론 및 규제 또한 강화되고 있어, 동물실험을 보완할 수 있는 인간 세포/조직 기반 모델이 요구되고 있는 실정이다. ○ 오가노이드는 배아줄기세포가 인간 개체로 발생되는 과정을 시험관 내에서 모사하여 제작하는 미니 장기유사체로, 개인맞춤 모델제작이 가능하고, 조직 내 주요 세포들의 상호작용 및 발생 단계/질환 진행 과정의 복합성 모사가 가능한 생체유사도가 높은 3D 모델이다. ○ 그러나, 대부분의 줄기세포 기반 오가노이드는 현재 임신 2-3기 태아 수준의 미성숙 상태로, 오가노이드를 성숙화 시키는 기술 개발이 요구되고 있다. 즉, 인체모사 간 모델에 요구되는 핵심 기술은, 대량으로 정확한 약물반응 예측이 가능한가, 즉 “증식 가능”하고 “기능적으로 성숙화” 되어 있는가이다. □ 연구내용 ○ 연구팀은 3차원 오가노이드 배양기술을 이용하여 인간 전분화능 줄기세포로부터 증식 가능하고 기능적으로 성숙한 인체모사 간 모델을 제작하는데 성공하였다. ○ 본 연구팀이 제작한 간 오가노이드는 체외에서 1년 이상 증식이 가능하며, 동결 보존 이후에도 약물에 대한 반응이 효과적으로 나타난다. 특히 성인의 간 조직 세포를 직접 분리하여 제작한 오가노이드와 비교하여도, 간세포 마커 발현이나 알부민 분비, 세포 호흡 기능 등이 뛰어남을 확인하였다. ○ 또한, 간의 주요 기능인 글라이코겐 합성, 다양한 효소 활성, 우레아 및 담즙 분비능 등이 뛰어나며, 외인성 약물을 대사하여 분해시키는 활성 또한 우수함을 검증하였다. ○ 특히, 2차원 모델에서는 구현하기 힘든 담세관(bile canaliculi) 형성 등 구조적 성숙화 또한 관찰 되었고, 기존 2차원 모델을 사용한 비임상 평가에서는 독성을 나타내지 않아 신약으로 출시되었으나, 시장에서 환자의 사망 사고를 일으킨 당뇨치료제와 항생제를 예시 약물로 사용하여, 본 오가노이드 모델에서는 인체 허용량 이하의 농도에서도 독성을 검출할 수 있음을 확인하였다. ○ 즉, 본 오가노이드 모델은 약물에 대한 독성 반응을 인체에서와 유사하게 나타냄을 확인하였고, 약물에 의한 간 세포 손상 후 재생 기능 또한 추적 가능한 모델임을 확인하였다. ○ 또한, 지방 및 글루코즈 대사 효능이 뛰어나, 외부에서 지방산을 다량 처리하여 손쉽게 지방간 모사모델을 제작할 수 있으며, 이를 이용한 치료제 스크리닝을 수행하였다. 그 중 가장 효과가 뛰어난 두 가지 약물은 이미 지방간 억제 효능이 보고되어 있는 약물로, 본 연구팀이 제작한 질환모델의 신뢰도 및 활용도를 검증하였다. □ 연구성과의 의미 ▶ 인체모사 간 모델 제공 : 간독성 평가 및 간질환 치료제 개발에 활용 ○ 인체와 보다 유사한 환자맞춤형의 인체모사 간 모델을 제공함으로써, 대량으로 정확한 약물반응 예측을 가능하게하고 신약의 부작용을 줄임으로써 개인맞춤 신약개발을 앞당기는데 기여할 수 있을 것으로 기대된다. ○ 특히, 인체 세포 기반으로 동물실험과 임상시험의 간극을 메우는데 활용도가 높을 것으로 기대되며, 또한 제작 방법 및 증식이 쉬운 모델로, 생체모사 신약개발 플랫폼 제작의 수월성을 확보한데 또 다른 의미가 있다. ○ 또한, 발생 단계 및 질환 진행 과정, 조직 재생 과정의 이해 등을 통한 관련분야 원천기술 연구 및 치료제 개발 연구에도 활용가치가 클 것으로 예상된다. 용어설명 1. 전분화능 줄기세포(pluripotent stem cells) ◦ 인간의 몸을 구성하는 모든 세포로 분화하는 능력을 가진 만능 세포로서, 자가 재생능력(self-renewal)과 분화능(differentiation)을 가진다. 배아의 내세포집단(inner cell mass)에서 분리한 배아줄기세포(embryonic stem cell)와 유도만능 줄기세포(induced pluripotent stem cell)를 포함한다. 2. 오가노이드(organoids) ◦ 줄기세포의 자가조직화(Self-organization) 능력을 이용하여 인체 조직과 유사하게 3D 형태로 제작한 장기유사체를 말한다. 그림설명 그림 1. 간 오가노이드 제작 및 활용 모식도 인간 피부세포(fibroblasts)를 전분화능 줄기세포(iPSCs)로 리프로그래밍 시킨 후, 3차원 오가노이드 형태의 간 장기모사체(human hepatic organoid)로 제작. 증식(self-renewal) 가능하고 고기능(functional)으로 정상 및 간 질환을 모델링(disease modeling)하여 개인맞춤 독성 및 약효 평가(personalized drug toxicity and efficacy screening)에 활용 가능함.

- 기존 연구에서 증식하지 않는 간세포 한계를 오가노이드 기술로 극복

- 간독성, 약효 평가용 새로운 인체모사 간 모델 개발로, 신약개발 효율성 향상 기대

(왼쪽) 문선주, 한국생명공학연구원 줄기세포융합연구센터 UST 학생 sjmoon@kribb.re.kr

(오른쪽) 손명진, 한국생명공학연구원 줄기세포융합연구센터 책임연구원 mjson@kribb.re.kr

□ 한국생명공학연구원 줄기세포융합연구센터 손명진 박사팀(교신저자: 손명진/정경숙 박사, 제1저자: 문선주 학생)이 인간 전분화능 줄기세포*를 이용하여 증식 가능한 3차원 형태의 인간 간 모사모델을 개발하는데 성공하였다. 신약개발 단계에서 필수적인 간독성, 유효성 평가용 인체모사 간 모델로, 동물실험과 임상시험 간극을 메우는데 활용도가 높을 것으로 기대된다.

ㅇ 이번 연구는 간 연구분야의 세계적 전문지인 저널오브헤파톨로지(Journal of Hepatology, IF 18.946) 11월 호에 게재되었다.

(논문명 : Generation of expandable human pluripotent stem cell-derived hepatocyte-like liver organoids. 2019, 71, 970–985)

□ 간은 재생이 잘 되는 장기이긴 하지만, 신약개발 단계에서 활용하기 위하여 간 조직을 얻는 것이 쉽지 않을 뿐 아니라, 체외에서 간 세포는 전혀 증식하지 않는 한계를 가지고 있어, 전 세계적으로 이를 극복하기 위한 기술개발이 진행 되어왔다.

ㅇ 본 연구팀은 기존 2차원 간세포 분화 기술과(temporal cues), 3차원 오가노이드* 배양기술을(special cues) 조합하여, 발생 단계별 시공간의 변화를 최적화해 줌으로써, 인간 전분화능 줄기세포로부터 증식 가능하고 기능적으로 성숙한 간 오가노이드를 제작하는데 성공하였다.

□ 이번 연구성과는, 기존 전분화능 줄기세포 기반 오가노이드 모델이 가지는 한계(증식하지 않고 기능적으로 미성숙)를 극복한 최초의 성과로, 체외에서 장기간 증식이 가능하고, 동결·해동이 가능하며, 기능적으로 성숙한 간 모델을 개발한 데에 그 의의가 있다.

ㅇ 또한, 오가노이드가 성숙화 될수록 인체와 유사한 약물반응을 분석할 수 있어, 보다 정확한 간독성 평가가 가능함을 확인하였고, 지방간 모델을 제작하고 치료제 발굴을 수행하여, 정상 및 간 질환 플랫폼 활용이 가능함을 입증하였다.

□ 연구책임자인 손명진 박사는 “동물실험에서 간독성이 없었으나 임상에서 독성을 나타내어 심각한 경우 환자가 사망하고, 막대한 비용을 들여 개발한 약물이 퇴출되는 경우가 발생하는데, 결국 신약개발의 효율성을 높이기 위해서는 ‘간 장기유사체’를 얼마나 인간과 유사한 정도로 구현(성숙화)하고, 대량으로 제공 할 수 있는가‘가 관건이다.”며 “본 모델과 같이 인체 유사도가 높은 간 모델을 비임상에 활용함으로써, 향후 신약개발 효율성 향상에 기여할 것으로 기대된다.”고 밝혔다.

연구결과개요

□ 연구배경

○ 지난 25년간 비임상을 통과한 약물들이 시장에서 퇴출되는 비율이 20% 이상이고, 간독성이 그 주요 원인 중 하나로, 신약개발 초기 단계에서 정확한 간독성·유효성 예측이 가능한 평가 모델이 반드시 필요하다.

○ 인간 간에서 직접 분리한 일차배양 간세포가 약물대사능 등의 생체유사도가 높아 현재까지 표준모델(Gold Standard)로 사용되고 있으나, 인간 간 조직 수급이 제한적이고, 특히 체외에서 전혀 증식하지 않는 한계가 있다.

○ 또한, 현재 사용되고 있는 2D 세포기반 모델(평면적 세포배양)은 조직의 복합성 및 생체 반응을 구현하지 못하고, 동물모델은 종 (species)차에 의한 인체 반응 예측에 한계가 있어 새로운 인체 모사 모델이 요구되어 왔다.

○ 간 질환연구에 있어서도, 동물모델을 이용한 치료제 개발 연구가 장기간 수행되어 왔으나 임상에서 효과적인 치료제가 사실상 부재하고, 동물실험 반대 여론 및 규제 또한 강화되고 있어, 동물실험을 보완할 수 있는 인간 세포/조직 기반 모델이 요구되고 있는 실정이다.

○ 오가노이드는 배아줄기세포가 인간 개체로 발생되는 과정을 시험관 내에서 모사하여 제작하는 미니 장기유사체로, 개인맞춤 모델제작이 가능하고, 조직 내 주요 세포들의 상호작용 및 발생 단계/질환 진행 과정의 복합성 모사가 가능한 생체유사도가 높은 3D 모델이다.

○ 그러나, 대부분의 줄기세포 기반 오가노이드는 현재 임신 2-3기 태아 수준의 미성숙 상태로, 오가노이드를 성숙화 시키는 기술 개발이 요구되고 있다. 즉, 인체모사 간 모델에 요구되는 핵심 기술은, 대량으로 정확한 약물반응 예측이 가능한가, 즉 “증식 가능”하고 “기능적으로 성숙화” 되어 있는가이다.

□ 연구내용

○ 연구팀은 3차원 오가노이드 배양기술을 이용하여 인간 전분화능 줄기세포로부터 증식 가능하고 기능적으로 성숙한 인체모사 간 모델을 제작하는데 성공하였다.

○ 본 연구팀이 제작한 간 오가노이드는 체외에서 1년 이상 증식이 가능하며, 동결 보존 이후에도 약물에 대한 반응이 효과적으로 나타난다. 특히 성인의 간 조직 세포를 직접 분리하여 제작한 오가노이드와 비교하여도, 간세포 마커 발현이나 알부민 분비, 세포 호흡 기능 등이 뛰어남을 확인하였다.

○ 또한, 간의 주요 기능인 글라이코겐 합성, 다양한 효소 활성, 우레아 및 담즙 분비능 등이 뛰어나며, 외인성 약물을 대사하여 분해시키는 활성 또한 우수함을 검증하였다.

○ 특히, 2차원 모델에서는 구현하기 힘든 담세관(bile canaliculi) 형성 등 구조적 성숙화 또한 관찰 되었고, 기존 2차원 모델을 사용한 비임상 평가에서는 독성을 나타내지 않아 신약으로 출시되었으나, 시장에서 환자의 사망 사고를 일으킨 당뇨치료제와 항생제를 예시 약물로 사용하여, 본 오가노이드 모델에서는 인체 허용량 이하의 농도에서도 독성을 검출할 수 있음을 확인하였다.

○ 즉, 본 오가노이드 모델은 약물에 대한 독성 반응을 인체에서와 유사하게 나타냄을 확인하였고, 약물에 의한 간 세포 손상 후 재생 기능 또한 추적 가능한 모델임을 확인하였다.

○ 또한, 지방 및 글루코즈 대사 효능이 뛰어나, 외부에서 지방산을 다량 처리하여 손쉽게 지방간 모사모델을 제작할 수 있으며, 이를 이용한 치료제 스크리닝을 수행하였다. 그 중 가장 효과가 뛰어난 두 가지 약물은 이미 지방간 억제 효능이 보고되어 있는 약물로, 본 연구팀이 제작한 질환모델의 신뢰도 및 활용도를 검증하였다.

□ 연구성과의 의미

▶ 인체모사 간 모델 제공 : 간독성 평가 및 간질환 치료제 개발에 활용

○ 인체와 보다 유사한 환자맞춤형의 인체모사 간 모델을 제공함으로써, 대량으로 정확한 약물반응 예측을 가능하게하고 신약의 부작용을 줄임으로써 개인맞춤 신약개발을 앞당기는데 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

○ 특히, 인체 세포 기반으로 동물실험과 임상시험의 간극을 메우는데 활용도가 높을 것으로 기대되며, 또한 제작 방법 및 증식이 쉬운 모델로, 생체모사 신약개발 플랫폼 제작의 수월성을 확보한데 또 다른 의미가 있다.

○ 또한, 발생 단계 및 질환 진행 과정, 조직 재생 과정의 이해 등을 통한 관련분야 원천기술 연구 및 치료제 개발 연구에도 활용가치가 클 것으로 예상된다.

용어설명

1. 전분화능 줄기세포(pluripotent stem cells)

◦ 인간의 몸을 구성하는 모든 세포로 분화하는 능력을 가진 만능 세포로서, 자가 재생능력(self-renewal)과 분화능(differentiation)을 가진다. 배아의 내세포집단(inner cell mass)에서 분리한 배아줄기세포(embryonic stem cell)와 유도만능 줄기세포(induced pluripotent stem cell)를 포함한다.

2. 오가노이드(organoids)

◦ 줄기세포의 자가조직화(Self-organization) 능력을 이용하여 인체 조직과 유사하게 3D 형태로 제작한 장기유사체를 말한다.

그림설명

그림 1. 간 오가노이드 제작 및 활용 모식도

인간 피부세포(fibroblasts)를 전분화능 줄기세포(iPSCs)로 리프로그래밍 시킨 후, 3차원 오가노이드 형태의 간 장기모사체(human hepatic organoid)로 제작. 증식(self-renewal) 가능하고 고기능(functional)으로 정상 및 간 질환을 모델링(disease modeling)하여 개인맞춤 독성 및 약효 평가(personalized drug toxicity and efficacy screening)에 활용 가능함.

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