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성인과 유사한 수준의 제 2형 폐포 오가노이드 모델 개발
- 성인 폐포와 유사한 수준의 생리학적 특성을 가진 인간 폐포 오가노이드 모델 개발
- 제 2형 폐포세포 특이적인 계면활성단백질 생산/수송/분비 기전 규명

(왼쪽부터 1-4)

1. 임경태 교수, 고려대학교 생명과학부 (ktlim492@korea.ac.kr), 공동 제1저자
2. Eimear Rutherford 박사과정 학생, 영국 케임브리지대학교, 의학연구소 (ktlim492@korea.ac.kr), 공동 제1저자
3. Emma Rawlins 교수, 영국 케임브리지대학교, Gurdon Institute (elr21@cam.ac.uk), 공동 교신저자
4. Jennifer Dickens 교수, 영국 케임브리지대학교, 의학연구소 (jac72@cam.ac.uk), 공동 교신저자

그림 1. 성숙한 형태의 SFTPC 계면활성단백질(red)의 발현과 분비를 보여주는 AT2 오가노이드 이미지
(왼쪽) 증식이 가능한 AT2 오가노이드들
(가운데) 성숙한 SFTPC 단백질이 합성 및 분비되어 lumen에 축적되는 현상
(오른쪽) 제 1형 폐포로의 분화 (a, b; red (화살표))

인간을 포함하는 지구상에 존재하는 동물들은 생명유지에 필수적인 가스교환을 위해 '호흡'을 하며, 이 과정에 있어서 제 1형 및 제 2형 폐포 상피세포를 필요로 한다. 이 가운데 제 2형 폐포 상피세포(AT2)는 폐 내에서 실제 줄기세포로서의 역할을 하여 폐포가 손상될 경우 제 1형 폐포 상피세포로 분화되어 폐포의 재생에 관여하고, 뿐만 아니라 호흡 과정상 폐포 내에서 발생하는 표면장력을 상쇄시키기 위해 계면활성단백질을 생성 및 분비하여 폐 내에서 향상성을 유지시키는데 중추적인 역할을 한다. 하지만 AT2세포가 정상적인 기능을 수행하지 못할 경우 이는 간질성 폐질환(ILD)을 포함한 여러 만성적 폐 질환의 직접적인 원인이 될 수 있으며, 특히 일부 유전적인 폐 질환의 경우, 계면활성단백질 C (SFTPC, Surfactant Protein C)의 자체적인 변이로 인해 SFTPC 단백질이 세포 내에서 정상적인 경로로 이동하지 못하여 성숙화되는 과정을 거치지 못한다. 따라서 이러한 폐질환을 연구하기 위해서는 여러 가설들을 실험으로 검증하기 위하여 AT2 세포 모델을 필요로 하는데, 안타깝게도 실제 인간의 AT2 세포는 제한적인 증식능력을 가져, 체외로 분리하여 유도 및 배양하면서 긴 시간 유지시키는 것이 쉽지 않다. 결국, 이러한 한계점은 실제 폐 질환 모델을 활용하여 질환기전을 분석 및 규명하는데 큰 제약으로 다가올 수밖에 없다.

본 연구에서는 인간 태아 폐 내 폐 줄기세포를 분리하여, 적절한 배양 조건에서 배양한 후, 성인 유래 폐포세포와 유사한 수준으로 성숙한, 20회 이상의 계대배양이 가능한 증식이 가능한 형태의 AT2 오가노이드를 개발하는데 성공했다. 이렇게 개발한 인간 AT2 오가노이드는 여러 측면에 있어서 그 표현형들이 상당히 안정적으로 유지되며, 특정 조건에서 제 1형 폐포 상피세포로도 분화할 수 있는 줄기세포로서의 기능성도 가지고 있었다. 특히, 수차례 분열이 가능한 증식능을 가지고 있어서 쉽게 CRISPR 기반의 유전자 편집이 가능한 장점도 지니고 있다. 실제 본 연구에서는 forward genetic screening을 통해 SFTPC 단백질의 성숙화 과정의 주요 조절인사로서 E3 Ligase인 ITCH를 발굴할 수 있었고, AT2 오가노이드를 활용하여 ITCH 단백질의 생리학적 기능성을 성공적으로 오가노이드 상에서 검증해낼 수 있었다. 연구 결과, ITCH이 결핍된 경우, SFTPC-I73T 변이에서 주로 관찰되는 병리학적 SFTPC 단백질의 비정상적인 세포내 분포 패턴이 효과적으로 재현되는 것을 확인할 수 있었다.

그림 2. CRISPRi를 활용한 ITCH 등의 표적단백질 발현 억제 및 그에 따른 SFTPC 단백질의 세포내
이상분포 (mislocalization) 현상을 검증한 이미지 proSFTPC, purple

결론적으로, 본 연구에서는 기존의 AT2 세포 유사 모델에서는 명확히 구현해내지 못했던 인간 SFTPC 계면활성단백질의 합성, 세포내 적절한 이동, 성숙화된 형태의 분비에 해당하는 전 과정을 AT2 오가노이드 형태로 재현해냈고, 이를 활용하여 AT2 세포의 생리학적 향상성 및 기능성 유지에 필수적인 SFTPC 성숙 조절인사를 규명해냈다. 향후 이 모델은 폐포 상피세포들의 폐포 내 생리학적 특성, 여러 감염성, 급성, 만성 폐질환과의 관계성 등을 연구하고 규명해내는데 유용한 모델로서 사용이 가능할 것으로 생각되며, 이를 통해 다양한 폐 질환의 새로운 치료표적을 발굴 및 제시할 수 있는 표준 모델로서도 활용이 가능할 것으로 매우 기대가 된다.

논문제목, 페이지번호, 발행년도:
A novel human feel lung-derived alveolar organoid model reveals mechanisms of surfactant protein C maturation relevant to interstitial lung disease. EMBO J. 2025 Feb;44(3):639-664.

논문URL: https://doi.org/10.1038/s44318-024-00328-6