팜독 21호- 오가노이드에 관심을 가져야 할 때

오가노이드가 무엇인지? 관심을 가져봅니다

2023. 7. 12.

팜독 21호 - 오가노이드에 대해 알아보자

안녕하세요

팜독이 21호를 맞이했습니다. 오늘은 오가노이드에 대한 간략한 소개와 대표회사 소개 시장분석을 통해 오가노이드의 잠재력과 시장성에 대해 알아보도록 하겠습니다.

오가노이드는 2D 배양 시스템과 비교하여 3D 오가노이드는 유전자 및 단백질 발현, 대사 기능 및 미세 조직 구조 측면에서 본래의 장기와 더 유사합니다. 따라서 잘 확립된 organ-on-a-chip systems과 유사하게, 오가노이드는 개인화된 의약품 및 차세대 약물 검사를 발전시키고 동물 실험의 필요성을 제한할 수 있는 유망한 연구분야입니다.

오가노이드는 실제 장기와의 유사성을 활용한 질병 모델과 조직 재생능을 활용한 재생치료제 두 가지 측면에서 활용이 가능합니다. 오가노이드 기반의 재생치료제는 오가노이드를 직접 손상된 조직에 이식하여 조직 손상을 복구할 수 있는 근원적 치료제가 될 수 있어 새로운 개념의 재생치료제로 각광받고 있습니다.

위, 신장 간 췌장, 유선, 전립선 상·하부 기도, 갑상선, 망막 및 뇌를 포함한 점점 더 다양한 장기에 대해 오르가노이드를 설정할 수 있습니다

오가노이드 재생치료의 장점으로는 극소량의 생검으로 세포를 확보할수 있고, 장기간 대량배양이 가능하며, 오가노이드 내 조직 특이 성체줄기세포는 해당 장기나 조직으로의 분화능이 우수하여 이식 시 직접적인 조직 재생을 유도할 수 있으므로 재생치료 효과를 극대화시킬 수 있습니다. : 오가노이드는 성체줄기세포를 활용하기 때문에 종양형성의 위험성이 매우 적으며 병변 부위에 직접이식을 하기 때문에 타 장기로의 이동 및 분포 가능성이 낮고 자가세포를 활용할 경우 면역거부 위험이 없습니다. 오가노이드를 이용하는 치료제의 적응증이 대부분 국소 이식이며 내시경, 초음파 등을 활용해 최소 침습적으로 이루어지기 때문에 환자 친화적입니다.

현재 국내에서는 오가노이드사이언스, 강스템바이오, 그래디언트바이오컨버전스, 에드믹바이오, 티앤알바이오팹, 넥스트앤바이오, HLB셀 등이 있다.

오가노이드사이언스는 2016년부터 오가노이드 재생치료제 플랫폼 ‘ATORM’ 개발을 시작해 국내 최초로 ‘첨단재생의료 및 첨단바이오의약품 안전·지원에 관한 법률’(첨생법)에 의한 첨단재생의료 임상 연구 승인을 받았다. 이달 중 첫 환자 등록을 앞두고 있다.

넥스트앤바이오는 내년 1분기 내 오가노이드 기반 근육 재생치료제의 임상 1상 진입을 위해 올해 말까지 우수 의약품 제조·관리 기준(GMP) 시설을 구축할 계획이다. 오가노이드를 균질하게 생산할 수 있는 표준화 기술을 확보했으며, 국내 의료기관과 오가노이드 뱅크를 구축했다.

강스템바이오텍이 보유한 췌도 오가노이드 제작 기술은 기존 기술 대비 인슐린 분비능을 갖춘 베타세포의 분화효율을 증대시킨다. 현재 당뇨병 동물모델을 이용해 췌도 오가노이드의 체내 생착과 관련된 연구를 수행 중이다.

현재의 오르가노이드 시스템의 한계는 분명히 존재합니다.

성숙도와 기능의 제한: 오르가노이드는 각기 다른 장기의 일부 기능을 모방할 수 있지만, 종종 중요한 전문화된 세포 유형이 부족하고 원래 장기의 복잡성을 재현하지 못합니다. 오르가노이드는 종종 중간질세포 구획, 혈관화, 미생물 군집의 (부분적인) 부재로 인해 복제되지 못합니다. 또한 오르가노이드는 배양 기간이 제한되어 있으며, 태아 표현형을 넘어서 성숙하지 못하는 경우가 많아 인체 시스템에서 기관 형성의 시기와는 큰 차이가 있습니다.

접근성: 오르가노이드가 커짐에 따라 영양 공급과 폐기물 제거가 점점 효율적이지 않아집니다. 큰 오르가노이드에서는 중심 내부의 괴사가 발생하며, 영양 불균형은 오르가노이드의 다양한 구획을 제어하는 데 어려움을 야기합니다. 예를 들어, 호스트-병원체 상호작용에 초점을 맞춘 연구에서는 미생물을 오르가노이드의 상부(일반적으로 유액을 향한 부분)로 전달해야 하지만 대사산물과 사이토카인은 주로 기저면에서 전달되어야 합니다.

이질성: 오르가노이드 시스템은 형성 효율성, 최종 모양 및 기능에 상당한 변동성을 가지고 있습니다. 이러한 변동성은 vitro 자기조직화와 세포 운명 선택의 확률적인 특성에 기인합니다. 이러한 변동성을 줄이는 것은 질병 모델링, 약물 스크리닝 및 재생 의학에서 오르가노이드의 잠재력을 최대로 활용하기 위해 필수적입니다. 정의된 배지와 기질을 사용하는 자동화 수준을 높이는 엔지니어링 전략을 더욱 탐구해야 합니다.

결과 평가: 현재의 오르가노이드 시스템은 주로 광학 모니터링을 사용하며, 기관의 기능에 대한 정보가 제한적입니다. 상피 장벽의 무결성이나 간 기능과 같은 중요한 기능 측정은 오르가노이드에서 도전적일 수 있습니다. 오르가노이드 시스템에 소형 생체 센서를 통합하여 이 문제를 해결할 수 있지만, 배양 설정의 수정이 필요합니다. 약물 스크리닝을 위한 대용량 측정에는 자동 기능 측정이 구현되어야 합니다.

현재의 이러한 제한은 오르가노이드의 설계 원칙에 내재된 문제입니다. 따라서 단지 조절 가능한 매개 변수(사이토카인 및 기질 조성 선택 등)의 세밀한 조정으로는 이러한 한계를 극복하기 어렵습니다. 오르가노이드 시스템의 설계는 조절 가능한 매개 변수의 수를 증가시켜야 합니다. 오르가노이드 플랫폼의 많은 제한을 극복하기 위해 기관 내 세포부터 전체 생물체까지 다양한 규모의 엔지니어링 접근법을 채택하는 것이 중요합니다.

오가노이드 기술은 미래에 큰 가능성을 갖고 있습니다. 현재의 한계를 극복하기 위한 연구와 발전이 지속적으로 이루어지고 있으며, 오가노이드의 전체 잠재력을 발휘하기 위한 것으로 기대됩니다. 다음은 오가노이드 기술의 잠재적인 미래 방향입니다

성숙도와 기능의 향상: 오가노이드의 성숙도와 기능을 개선하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 이는 원래 장기 환경을 보다 잘 재현하는 더 복잡한 배양 시스템의 개발을 포함합니다. 중간질세포 구획, 혈관화, 미생물 군집과 같은 요소를 도입하는 것이 이에 해당합니다. 기계적 자극, 공기-액체 인터페이스 배양, 유동 시스템 통합과 같은 기술은 세포의 최종 성숙을 촉진하고 오가노이드의 기능을 향상시키는 데 활용되고 있습니다.

장기간 배양 및 수명 연장: 오가노이드의 배양 수명을 연장하는 것은 중요한 목표입니다. 연구진들은 큰 오가노이드에서 영양 공급과 폐기물 제거를 개선하기 위한 방법을 연구하고 있습니다. 이를 위해 바이오리액터나 퍼퓨전 시스템과 같은 새로운 배양 기술을 개발하여 영양과 산소에 더 좋은 접근성을 제공하는 것이 포함됩니다. 또한, 오가노이드의 장기간 자가재생과 분화를 촉진하는 인자를 식별하는 것은 활발히 연구되고 있습니다.

이질성 감소: 오가노이드 형성, 형태 및 기능의 변동성을 감소시키기 위한 노력이 진행 중입니다. 이는 배양 조건의 최적화, 배지 구성의 정의, 기질 사용을 통해 보다 일관적이고 재현 가능한 오가노이드 발달을 이루기 위한 것입니다. 자동화와 프로토콜의 표준화는 이질성을 최소화하고 오가노이드 모델의 신뢰성을 향상시키는 데 도움이 될 수 있습니다.

고급 기능 측정: 연구진들은 오가노이드의 기능을 평가하기 위한 새로운 기술과 접근 방법을 탐구하고 있습니다. 이는 오가노이드 시스템에 미세 생체 센서를 통합하여 대사산물, 분비 펩타이드, 전기 포텐셜 또는 기능적 매개 변수 등을 모니터링하는 것을 포함합니다. 대용량 스크리닝 방법과 자동 기능 측정은 효율적인 약물 스크리닝과 오가노이드의 기능 분석을 가능하게 합니다.

오가노이드-온-칩 및 다중 오가노이드 시스템: 오가노이드를 미세 유체 장치와 통합하는 오가노이드-온-칩 기술은 보다 생리학적으로 관련성이 높고 상호 연결된 시스템을 구축할 수 있는 잠재력을 제공합니다. 이러한 플랫폼은 여러 장기 간의 상호작용을 모방하고 복잡한 생물학적 과정을 이해하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 다양한 오가노이드 또는 오가노이드 유래 조직을 결합함으로써, 질병 연구, 약물 테스트 및 개인 맞춤 의학을 위한 더 포괄적인 모델을 만들 수 있습니다.

다른 기술과의 결합: 오가노이드 기술은 유전자 편집 (예: CRISPR/Cas9) 및 단일 세포 시퀀싱과 같은 최첨단 기술과 결합될 수 있습니다. 이를 통해 장기 발달, 질병 메커니즘 및 개인 맞춤 의학에 대한 보다 깊은 이해를 얻을 수 있습니다. 이러한 기술은 오가노이드 모델의 개선, 유전자 조작의 향상, 오가노이드 이질성의 정밀한 특성화를 가능하게 하여 기여할 수 있습니다.

오르가노이드 기술의 미래는 희망적입니다. 현재의 제한 사항을 극복하고 인간 기관의 더 정교하고 기능적인 모델을 만들기 위한 지속적인 발전이 진행 중입니다. 이러한 발전은 인간 생리학과 병리학의 더 정확하고 개인 맞춤형 모델을 제공함으로써 질병 연구, 약물 개발 및 재생 의학을 혁신할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

편집자 주