최근에 진행 중인 연구 중에 Organoid modeling을 하면 좋을 것 같은 결과를 얻어서, Organoid에 대해서 공부한 내용들을 간단하게 정리할까 합니다. 3D culture 또는 Organoid에 대해서는 이쪽 분야만 전문적으로 연구하시는 분들도 많지만, 이제는 저 같은 일반 연구자들도 Cell culture와 같이 하나의 연구 방법론으로 많이 사용하는 시대가 온 것 같습니다. 그만큼 일반적인 Cell culture로는 한계가 있던 것을, Organoid를 이용하면 좀 더 인체와 가깝게 모델화할 수 있는 장점 때문에 앞으로는 Organoid를 이용한 실험이 더 보편화 되지 않을까 합니다. 본 포스팅에서는 Organoid 제작을 위한 주요 개념들을 정리해 보고자 합니다.
I. Organoid의 장점과 한계
Organoid는 기존의 2D culture (평면으로 cell을 깔아서 키우던 시절)에서 3D culture (3차원적인 형태로 세포들이 뭉쳐서 크는 시절)의 과도기에서 벗어나 실제 Organ과 같은 형태로 세포를 키워서 조금 더 실제 기능을 모방한다는 장점이 있습니다. 따라서 대부분의 장점은 질병의 모델화가 용이하고, 실제 생리적 기능을 더 가깝게 확인할 수 있는 도구라는 점입니다. 그러나 실제 기관 (Organ)은 한 종류의 세포로 이루어져 있는 것이 아니며, 훨씬 복잡한 세포들이 다양한 형태를 이루고 있기 때문에, Organoid의 한계점은 이러한 점을 모두 모방하기 어려운데서 기인합니다. 아래는 아래 Review 논문에서 언급하고 있는 Organoid의 장점과 단점입니다.
- Near-physiological model system for studying adult stem cells and tissues in a variety of contexts
- Adult stem cells can be propagated in organoids, and specific tissue lineages can be cultured in high purity with minimal contributions from other cell types
(for example, fibroblasts and endothelial cells) - Can be propagated for a long time (years) without genomic alterations
Amenable to a wide variety of established experimental techniques - Can be derived from multiple sources: adult and foetal tissues, ESCs and iPSCs
- Can generate organoids encompassing a broad range of tissues
- Limited amounts of starting material can be expanded for numerous applications
- Human diseases that are difficult to model in animals can be studied with patient-derived organoids
- Possibility of generating isogenic adult tissue for transplantation in regenerative procedures
- Lack of native microenvironment precludes studies about interaction of stem cells with their niches, immune cells, etc.
- Limited use in modelling inflammatory responses to infection or drugs due to absence of immune cells in culture system
- Unable to mimic in vivo growth factor/signalling gradients in Matrigel matrix
- Unable to mimic biomechanical forces that stem cells encounter in vivo
- Relatively rigid ECM could limit drug penetration, hence hampering the use of organoids in drug screens
- Challenging to culture organoids from tissues whose niche factors are not well understood (for example, the ovary)
- Organoids in the same culture are heterogeneous in terms of viability, size and shape, impeding phenotype screens
- Organoid cultures depend on mouse-sarcoma-derived Matrigel, which precludes transplantation of organoids into humans
II. Organoid 제작 source: primary tissue, ESC, and iPSC
실제 organoid modelling을 계획할 때, 제작 방법을 고민하게 되는데 크게 위의 3가지 source로 부터 제작이 가능하게 됩니다. 환자로 부터의 sampling 가능 여부와 실험 가능 여부 등을 고민하면서, 동시에 각 방법의 장, 단점을 함께 이해하는 것이 중요합니다.
아래 그림은 primary tissue, embryonic stem cell (ESC), induced pluripotent stem cell (iPSC)를 통해서 oragnoid를 제작하는 과정을 보여주고 있습니다. Primary tissue의 경우에는 조직에서 부터 줄기세포만을 추출하는 과정이 필요하고, ESC의 경우는 얻기가 어려우며 윤리적인 문제가 걸려있고, iPSC의 경우는 가장 얻기 쉬우며 용이한 반면, 제작에 시간이 많이 소모된다는 단점이 있습니다. iPSC는 유도 만능 줄기 세포 또는 역분화 줄기 세포로 불리는데, 두번째 그림과 같이 대표적인 4개의 인자들을 이용하여 이미 분화된 세포를 역으로 거슬러 오르게해서 다시 분화능을 갖는 세포를 만든 것으로 2012 년 노벨 생리의학상을 받은 야마나카 신야에 의해서 개발된 방법입니다.
- Primary Tissue: 환자 유래의 실제 조직으로 부터 organoid를 제작하는 방법. 조직에 포함된 소량의 줄기 세포를 분리하고, 줄기 세포를 확장 시켜서 oragnoid로 제작
- Embryonic Stem Cell (ESC): 배아 줄기 세포를 직접 이용하는 방법, 얻기가 쉽지 않고 윤리적 문제가 걸려 있어 최근에는 잘 이용되지 않고 있다.
- induced Pluripotent Stem Cell (iPSC): 환자의 피부 조직과 같이 얻기 쉬운 세포를 이용하여 역분화 과정을 거친 유도 만능 줄기 세포를 제작한 후, 이를 통해서 다시 Organoid를 제작하는 방법. 활용이 다양하고 윤리적인 문제도 적지만, 역분화 과정에 추가로 시간이 걸리는게 단점.
[Liver Organoid 제작 과정]
III. Organoid 활용
아직까지 대부분의 Organoid는 연구용으로 질병 모델화에 활용되고 있습니다. 그러나 아래 그림과 같이 환자 유래의 세포로 Organoid를 제작하여 약물 Screening을 시행하여 환자에게 맞춤 치료를 제공한다거나, 재생 의학적 측면에서 세포 이식 치료에 활용하는 방법들도 시도되고 있습니다.
[References]
Fatehullah, Aliya, Si Hui Tan, and Nick Barker. “Organoids as an in vitro model of human development and disease.” Nature cell biology 18.3 (2016): 246.
Prior, Nicole, Patricia Inacio, and Meritxell Huch. “Liver organoids: from basic research to therapeutic applications.” Gut 68.12 (2019): 2228-2237.
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