서울대학교 의과대학 유전체의학연구소 김종일 교수 연구팀과 영국 케임브리지 대학교 이주현 교수, 분당서울대학교병원 정진행 교수 공동연구팀이 2023년 인체 유래 폐 기도 오가노이드(Lung Airway Organoid)를 활용한 단일세포전사체 분석을 통해  오가노이드의 줄기세포 분화도 연구와 질병 모델로서의 가능성을 확인한 연구 결과를 발표했다.

오가노이드 기술은 인체 줄기세포 및 장기 기원세포를 실험실 환경에서 3D 배양법을 활용해 만드는 미니 장기로 동물실험의 대안으로 각광받고 있다.

연구팀은 총 27명의 기증자로부터 장기 기원세포를 분리해 성체줄기세포 유래 폐 기도 오가노이드를 제작하여 배양조건별 분화도 평가, 기증자 개인차 분석, 실제 조직과 오가노이드의 차이, COVID-19 바이러스를 이용한 감염질환 모델 평가까지 조건별로 유전자적 특성을 확인하기 위해 단일세포전사체 분석을 시행하여 폐 오가노이드 단일세포지도를 제작해 공개했다.

그 결과, 3D 배양조건으로 키워진 폐 기도 오가노이드가 기존 폐 상피 세포 연구에 많이 사용되었던 2D ALI(Air-Liquid Interface) 배양법과 유사한 수준의 상피세포 분화도를 보이는 것으로 확인됐다.

줄기세포로 알려진 기저세포(Basal)부터 곤봉체 세포(Club), 배상 세포(Goblet), 섬모 세포(Ciliated)가 두 가지 배양 조건에 모두 존재함을 확인했다.

특히, 실제 조직내에서 극히 적은 비율로 존재해 희귀세포로 분류되는 이온 세포(ionocyte),  폐 신경 내분비세포 (pulmonary neuroendocrine cell), 솔세포(tuft cell)까지 모두 두 가지 배양 조건에서 존재했고, 분화도 분석을 통해 줄기세포로부터 희귀세포들까지의 분화 중간단계 세포의 전사체 분석 또한 가능했다.

희귀세포는 그 비율은 적지만 인체내에서 항상성 유지에 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있기에, 해당 세포들의 분화도 연구는 추후 분화 유도 방법 개발 등 여러 활용성이 있을 것으로 평가된다.

연구팀은 해당 오가노이드를 활용해 COVID-19 바이러스의 다양한 변종들을 포함하여 인플루엔자 바이러스, 메르스 코로나 바이러스까지 감염시켜 단일세포 전사체 분석을 진행했다.

그 결과, 폐 기도 오가노이드 세포에는 인플루엔자 바이러스에서 가장 높은 감염률을 보인 것을 확인했다.

연구팀은 "해당 데이터베이스(OSCA, osca.snu.ac.kr)는 폐 기도 오가노이드를 활용하는 국내외 연구진들에게 공개되어 그 활용성 평가 및 특성 분석에 중요하게 사용될 것"이라고 설명했다.

이번 연구결과는 국제학술지 ‘Experimental & Molecular Medicine (IF=12.8)’에 게재됐다.