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오가노이드를 이용한 간 질환 연구

오늘날 생물을 이용한 실험은 갈 수록 여러 가지 장벽에 부딪치고 있습니다. 매일 고기를 먹는 본인도 막상 동물을 죽이는걸 보면 양심의 가책을 느끼곤 하는데. 그렇다고 당장 고기를 먹지 않는다는건 상상하기 힘든 일입니다. 마찬가지로 각종 질병으로 부터 우리를 보호해주는 약이나 치료법들이 개발되기 위해서는 수많은 동물실험이 필요하다는건 잘 알려진 사실이죠. 하지만 아무리 동물의 권익을 생각하는 사람이라도 실험 동물들을 생각해서 아플 때 약을 안 먹을 수는 없는 일입니다. 그렇다면 최소한의 희생으로 목적을 해결할 수는 없을까요? 아마도 오가노이드(organoid) 를 이용한 실험이 필요한 이유중 하나일 것입니다.
현재 오가노이드를 이용한 각종 질병 모델들이 개발되고 있습니다. 3차원 세포배양기술의 발달과 줄기세포 제작, 분화유도기술이 결합하여 뇌, 심장, 간, 신장, 근육, 뼈, 연골 등 몸속 기관이나 조직들을 시험배양기에서 만들 수 있게 되었습니다. 물론 이렇게 만들어진 장기를 이식하는 것을 생각해 볼 수 있는데 누구나 짐작하듯이 그렇게 간단하지는 않을 것입니다. 그런데 이렇게 만들어진 오가노이드는 직접 사람에게 실험하기 어려운 여러가지 실험을 해 볼 수 있는 장점이 있습니다. 최근에는 CRISPR기술을 이용한 특정 유전자 변형기술까지 합해져 각종 질병 모델을 만들 수도 있게 되었죠. 이렇게 만들어진 특정 질환의 오르가노이드는 임상실험 전에 약의 효과를 짐작해 볼 수 있는 아주 유용한 방법이라는 것이 밝혀지고 있습니다. 아래에 소개된 인터뷰를 통해 오가노이드를 이용한 생체실험이 어디까지 왔는지 간접적으로나마 소개할까 합니다.

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지방간 연구를 위해 힘을 합치다.

Benedetta Artegiani와 Delilah Hendriks가 오가노이드(organoid)를 통한 질병 원인과 치료법을 이해하기 위해 연합 연구 그룹을 만들었다.

Delilah Hendriks는 Hubrecht Intitute의 고참 박사후 연구원(post-doc)이고, Benedetta Artegiani는 the Princess Máxima Center for Pediatric Oncology (PMC)의 그룹리더이다. 이들이 인간의 질병연구를 위한 오가노이드 모델을 개발하고자 PMC에 합동 실험실을 차렸다.

이들은 Hubrecht Institue의 Hans Clevers 실험실에서 박사후 연구원으로 만났다. 그 곳에서 Artegiani와 Hendriks는 간 오가노이드에서 비알코올성 지방간(non-alcoholic fatty liver disease, NAFLD)을 재현하는 유전자 돌연변이를 만들고자 노력하고 있었다. 비알코올성 지방간은 전 세계적으로 만연한 그리고 별다른 치료법이 없는 만성 질환의 주된 윈인이다.  NAFLD는 고지방, 고당분 음식과 유전적 소인과 지질관련 유전병과 연관이 있다. 이 질환은 간에 지방이 축적되면서 시작된다. 이를 간 지방증(지방간, hepatic steatosis)이라고 하며 간에 손상과 부전을 일으키는 염증반응으로 진행될 수 있다. Clever의 실험실에서 이들은 몇 가지 오가노이드 모델을 만들어 NAFLD의 진행과 치료법에 대한 정보를 제공하였고,. 이를 최근 Nature Biotechnology지에 발표하였다.

아래의 글은 이들과의 인터뷰를 대화 형식으로 기록한 것이다.

간 질환을 연구하는데 어떻게 오가노이드를 선택하게 되었나요? 또한 NAFLD의 모델은 어떻게 만들었나요?

Benedetta Artegiani(BA): 주된 이유는 오가노이드가 인간 모델이기 때문이죠. 생쥐나 제브라피쉬로 모델을 삼을 수도 있지만 이들의 대사과정은 인간하고는 많이 다릅니다. 우리는 인간 조직을 기증받아 영구적으로 키울 수 있는 오가노이드를 만들었습니다. 이렇게 얻은 무한한 제료로 어떤 종류의 실험이던 할 수 있게 되었죠. 시작은 간 오가노이드를 이용해 암 돌연변이를 연구하는 것이었습니다. 그러다 아주 신기한 성질을 가진 돌연변이를 만난거죠, 즉, APOB(apoplipoprotein B)유전자에 돌연변이를 주자 오가노이드에 많은 양의 지방이 축적되었던 겁니다.

Delilah Hendriks(DH): APOB 유전자에 돌연변이가 그렇게 강한 형질로 나타났다는게 놀라웠습니다. 우린 간암 모델을 원했던 건데 이렇게 오가노이드에서 자연적인 지방간이 생길 수 있다는 것에 굉장히 놀랐죠. NAFLD에서 유전자의 기능은 아주 큽니다. 우린 오가노이드를 이용하여 이런 종류의 돌연변이를 만들고 그 형질을 연구할 수 있게 된 것입니다.

만드신 세가지 간질환 모델은 무엇인가요?

DH: 대부분의 지방간을 가진 사람들은 섭식 요인이 있습니다. 만약 NAFLD 성향의 유전적 배경을 갖는 사람이라도 건강한 식단을 유지한다면 질병이 발생하지 않을 것입니다. 우리의 식단 모델에 따르면, 오가노이드에 외부적으로 지방산을 공급하여 NAFLD환자의 혈장을 흉내낼 수 있습니다. 우리가 발견한 것은 건강한 섭식을 했을 경우를 재현하여 낮은 농도의 지방산을 주면 오가노이드의 지방이 빠지는 것을 볼 수 있었고, 너무 많이 주면 지방산이 축적되는 것을 볼 수 있었습니다. 현미경 하에서 오가노이드는 점점 어두워졌고 둥근 지방 알갱이들이 발견되었죠.”

BA: 우리는 잘 알려진 PNPLA3 (Patatin-like phospholipase domain-containing protein 3)돌연변이에 의한 NAFLD의 유전적 소인을 모델로 만들기도 했어요. 유전적 소인이란 이 질병에 바로 걸리는 것은 아니지만 다른 요인 요컨데 음식 등의 영향이 합해지면 발병을 촉진할 수도 있는 경우입니다. 두 가지 방법으로 만들었는데- 첫째로는 PNPLA3 유전자를 없엔 경우이고 또 하나는 이 유전적 소인에서 흔히 나타나는 단일 염기 다형(SNP)을 유전자 편집으로 넣은 경우입니다. 두 경우 모두 오가노이드에 지방이 축적되었고, SNP의 경우는 그 정도가 덜 했죠. 이 유전적 소인을 가진 오가노이드에 음식에 의한 지방간 유도 실험을 적용하면 정상 오가노이드에 비해 지방의 축적이 더 많이 일어났으며, 이는 유전과 섭식의 시너지 효과를 잘 보여주는 것입니다.

DH: 단일 유전자성 지질병에 대한 모델을 위해 APOB 또는 MTTP (microsomal triglyceride transfer  protein)유전자에 돌연변이를 주었습니다. 이 돌연변이들은 아주 극단적인 형질로 나타났죠. – 이 세포로 만들어진 오가노이드는 심각한 지방증을 보여준다. 이 단일 유전자성 지질병 환자들은 어릴 때부터 지방간 증세를 보이는데 이는 식습관에 의한 것이 아니기 때문입니다. 이 환자들은 세포에서 효과적으로 지질을 내보내지 못하죠. 우리는 최소량의 지방이 축적되는 오가노이드를 CRISPR(크리스퍼, 유전자 편집 기술의 하나오가노이들)의 platform으로 사용했죠. 그래서 유전자 변형이 이를 악화시키는지 회복시키는지 알 수 있게 말이죠.

어떤 식으로 CRISPR platform을 구성 했나요? 그리고 무엇을 알게 되었습니까?

DH: 오가노이드에 지방을 먹여 지방간을 만드는 방법은 CRISPR 선별과정이 복잡해집니다.  하지만 유전성 지방간은 자연적으로 지방이 축적되기 때문에, 우리는 어떤 한 유전자의 결손이 미치는 영향을 직접 볼 수 있었죠. 이는 지속적으로 대용량, 유전체 수준의 선별이 가능하게 해주었습니다. 우린 이 CRSPR platform을 FatTracer (휕트레이서)라고 이름 붙였죠, 말 그대로 현미경으로 지방을 추적할 수 있었으니까요. 이를 이용한 선별과정을 통해 FADS2(fatty acid desaturase 2, 지방산 불포화효소 2)의 선택적이고 중요한 기능을 알게 되었죠. 이 유전자를 없에자 오가노이드에는 지방이 가득차기 시작했어요.

BA: 우리는 반대로 FADS2를 과발현시키자 지방간을 완화시킨다는 사실도 알아냈습니다. 이건 매우 놀라웠는데요 완전히 흑백의 표현형이라고 할 수 있었죠.

우린 여기서 소규모의 기본적인 검색을 했고 그 결과 오가노이드의 지방축적량을 변화시키는 유전자들을 골라 낼 수 있었죠. 미래에는 유전체 수준의 탐색이 가능할 것이고 지방간에 영향을 줄 수 있는 어떤 유전자던 다 실험해 볼 수 있을 것입니다.

당신들은 의약품 선별과정도 수행한 것으로 아는데 무엇이 가장 의미 있는 발견일까요?

DH: 우리는 간에 작용하는 것으로 알려진 17개 약을 선별했고 이를 오가노이드에서 시험해 보았습니다. 저는 간 질환을 위해 개발중인 약들 중에 지방간 단계에서 작용하지는 않는 것이 있다는게 놀라웠죠. 어떤 약들은 염증에 더 효과가 있었고 우리는 실제로 지방증에 잘 듣는 약을 원했어요. 만약 지방이 축적되지 않는다면 염증도 없을 것이고, 질병을 되돌리거나 치료하는 것이 빠르면 빠를수록 좋을 것입니다. 이런 약 탐색을 통해 세포내 새로운 지방산의 합성을 억제하는 다수의 효과적인 약품들을 발견할 수 있었습니다.  이건 새로운 거죠. 또한 우리는 다른 실험 모델에 따라 약품에 반응하는 것이 상당히 다르다는 것을 알게 되었어요. 이는 유전적 배경에 따라 다른 치료법을 써야한다는 걸 의미합니다.

BA: 우리는. 오가노이드에 지방 감소를 유도한 약품을 처리한 후 전사체 분석도 실시 하였습니다. 전사체 분석 결과에 따라 몇 개의 그룹으로 묶어 그들의 작용 기전을 예측할 수 있었고, 반대로 부작용도 예측할 수 있었습니다. 예를 들어 어떤 약은 지방관련 형질을 개선하는데 효과가 좋았지만 세포분열 또한 막았어요. 우리는 이를 전사체분석을 통해 알 수 있었죠. 임상으로 가기 전에 약물의 효과와 단점을 알아낼 수 있는 강력한 platform이 될 수 있습니다.

연합 실험실을 구성한 것이 어떤 장점이 있다고 보시나요?

BA: 우린 일 더하기 일이 이가 아니라 삼이라고 해요, 왜냐하면 우린 서로에 대해 비판하고 이는 두 사람의 관점을 아는데 도움이 됩니다. 모든 사람들이 우리의 강한 협동심에 수혜를 받고 이런 동료의식이 과학을 하는 사람들에겐 중요하다고 생각합니다.

DH: 우리가 함께 할 수 있었기 때문에 이 과제가 아주 재미있었어요. – 우린 걱정과 기쁨을 함께하면서 가까워 질 수 있었습니다. 우린 언제나 이를 같이 나눌 수 있는 사람이 있었죠. 오늘날 더 많은 연합 실험실들이 생길 것이고, 이는 자칫 아주 고독하고 힘든 시간이 될 수 있는 과학이기에 연구자들이 원하는 것이라고 생각합니다. 어떤 일을 같이 한다는 것은 과학에도 도움이 되고 과학을 하는 사람들에게도 좋은 일입니다.

<이 글은 아래의 인터뷰 기사를 번역한 것입니다.>

Niki Spahich, PhD. Working together to better fatty liver disorders. The Scientist, Mar 24, 2023.

<원 기사 References>

1. Z.M. Younossi et al., “Global epidemiology of nonalcoholic fatty liver disease-Meta-analytic assessment of prevalence, incidence, and outcomes,” Hepatology, 64:73-84, 2016.

2. D. Hendriks et al., “Engineered human hepatocyte organoids enable CRISPR-based target discovery and drug screening for steatosis,” Nat Biotechnol, 1-15, 2023.

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