대장 오가노이드

대장 오가노이드(Colonic organoid)는 1차 조직 및 성체 줄기세포, 배아줄기세포, 유도만능줄기세포 등의 줄기세포로부터 장관의 분화 및 형태 형성 과정을 모사하도록 유도되어 대장의 특성을 가지는 오가노이드이다.

개발 
2011년 위트레흐트에 있는 한스 클레버스(Hans Clevers)의 연구실에서 쥐의 장 조직으로부터 분리한 성체줄기세포로 대장 오가노이드를 만들었으며, 2013년 워싱턴 대학교 세인트루이스 의대의 타데우스 S. 스타펜벡(Thaddeus S Stappenbeck)의 연구실에서 인간의 장 조직으로부터 대장의 움(crypt)에 존재하는 줄기세포를 분리하여 대장 오가노이드를 만들었다. 

제임스 M. 웰스(James M. Wells)의 연구실에서는 후방 장(posterior gut) 내배엽으로의 분화에 중요한 BMP 신호를 활성화함으로써 개구리, 쥐 및 인간의 대장에서 대장의 표지인자로써 발현되는 SATB2를 발현하는 대장 오가노이드 시스템을 만들었다. 또한 이 과정을 통해 만들어진 대장 오가노이드는 대장의 구성 세포와 특징을 지닌다.

첸수이빙(Shuibing chen)의 연구실에서는 BMP type 1 receptor의 억제제인 LDN193189를 처리하여 줄기세포, 전이-증폭 세포, 배상세포, 장내분비세포을 포함하는 대장 오가노이드를 만들었다.

활용

대장 기능 연구 
대장에서 대장 상피 줄기세포와 비타민 D의 관련성을 확인하기 위해 대장 오가노이드를 사용한 연구가 있다.

대장 질환 연구 
대장염, 대장암, 폴립증, 과민성대장 증후군, 궤양성대장염 등의 질환 연구에 사용될 수 있다.

치료제 테스트 
가족성샘종폴립증의 치료제 연구에 사용될 수 있다.

장관의 형태 형성 과정 및 대장 오가노이드로의 분화 
먼저, 장관의 발생 과정 중 내배엽이 전장(foregut), 중장(midgut), 후장(hindgut)으로 구분된다. 그 중 중장은 작은창자과 근위(proximal) 큰창자가 되고, 후장은 원위(distal) 큰창자와 직장이 된다. 작은창자는 십이지장, 빈 창자(공장), 회장으로 구분되며, 큰창자는 막창자(맹장), 결장, 직장으로 구분된다. 

이 과정을 모사하여 장 오가노이드로의 분화를 유도한다. 즉, Activin A를 처리함으로써 내배엽으로의 분화를 유도하고, Activin A, FGF4, CHIR99021(WNT3a) 을 농도에 맞게 처리하여 중-후장으로의 분화를 유도한다. 이 과정을 통해 만들어진 중-후장 타원체(spheroid)를 마트리겔에 심어 배양하며, BMP 신호를 활성화 하기 위해 BMP2를 처리하여 배양함으로써 대장 오가노이로 분화를 유도한다. 이처럼 적절한 시기에 발생과정을 모사할 수 있도록 적절한 신호를 처리함으로써 대장 오가노이드로의 분화를 유도한다.

대장 및 대장 오가노이드의 특징 
대장은 수분과 소장에서 흡수하고 남은 영양분을 흡수하는 장기로, 대장 박테리아가 생성해낸 비타민 B1, 비타민 B2(, 비타민 K 등의 비타민을 흡수한다. 대장의 상피는 배상세포(Goblet cell), 장 상피세포(Enterocyte), 장 줄기세포, 장내분비세포, 술 세포(Tuft cell)로 이루어져 있으며, 점막고유층(Lamina propria)에는 대식세포, B 세포, 조절 T 세포, 수지상세포 등의 면역세포가 존재한다. 대장 오가노이드는 대장 상피에 존재하는 여러 세포 종류를 모두 포함한다. 그러나 대장 오가노이드에는 점막 고유층이 존재하지 않기 때문에 면역세포가 없으므로 면역세포에 의해 일어나는 면역반응은 모사할 수 없다. 

배상세포는 점액의 주 성분인 점액질(mucins)을 분비하는 세포로, 점액층은 장의 표면을 매끄럽게 하고 외부로부터 장 상피를 보호하는 역할을 한다.장 상피세포는 영양분을 흡수하며, 장내분비세포는 호르몬 유사물질을 분비한다. 술 세포(Tuft cell)는 붓의 털실들과 유사한 미세융모 모양을 한 세포로, 기생충 감염으로부터 세포를 보호하고, 장에서 interleukin-25(IL-25)을 분비하는 유일한 세포이다.대장과 소장의 세포 구성에서의 가장 큰 차이는 소장은 파네스 세포(Paneth cell)이 있으며, 대장에는 존재하지 않는다는 것이다.

대장 오가노이드는 대장을 구성하는 세포들을 포함하고 있으므로, 대장오가노이드로의 분화 유무를 각 세포들을 포함하고 있는가로 확인하기도 한다. 이때 배상세포의 표지인자로는 MUC2, 장 상피세포는 Villin, 장내분비세포는 CHGA, 술세포는 AVIL 등으로 확인한다.

향후 개발 및 적용

대장 오가노이드를 활용한 연구 
칼슘을 포함한 배양액을 이용해 성체줄기세포로부터 얻은 대장 장기 유사체를 배양하면 대장 장기 유사체의 상피조직이 두꺼워지고, 세포와 세포 사이, 세포와 기질 사이의 결합이 증진될 수 있음을 확인하는 등 성체줄기세포 유래의 장기 유사체 배양 조건을 최적화하는 연구가 진행되고 있다.

대장 오가노이드를 방사선 직장염 쥐 모델에 이식하여 장 상피세포의 회복을 확인하는 등 이식을 통한 치료제로의 사용 연구가 진행중이다.

타장기 오가노이드와의 공배양 
대장오가노이드와 신경 및 혈관 세포와 함께 분화하는 방법에 대해 연구한 논문이 있다.

대장 오가노이드의 한계 
대장 오가노이드에는 면역세포의 부재로 인해 대장에서 일어나는 면역반응을 모사할 수 없다는 한계가 존재한다. 따라서 면역세포와의 공배양 방법에 대한 연구가 필요하다.

또한 실제 장기에는 근육세포, 신경세포 및 혈관이 존재하기 때문에 이를 모사할 수 있는 공배양 시스템을 만드는 연구가 필요하다. 이는 최근 연구가 진행되고 있는 미세유체 시스템 또는 어셈블로이드에 대한 연구와 더불어 연구가 진행될 수 있다.

참고 문헌 

줄기 세포