연세대학교 생명공학과 조승우 교수 연구팀은 가톨릭대학교 의대 박훈준 교수 연구팀과 공동으로, 복합적인 심장 미세환경을 체외에서 구현하는 심장 오가노이드 제작·배양 기술을 개발하였고, 약물 평가, 질환 모델 구축, 재생치료와 같은 폭넓은 응용성을 검증하였다.

오가노이드란 줄기세포와 조직공학 기술을 통해 인공적으로 만든 장기유사체로, 신약 유효성·안전성 평가 등 다양한 활용이 가능해 전 세계적으로 주목받고 있다. 하지만 아직 개체 간 편차가 크며, 분화도·성숙도·기능성 등이 실제 심장 수준에 미치지 못한다. 이는 약물 평가의 정확도를 떨어뜨리고 이식 후 조직 재생 효과를 보장할 수 없어 실질적인 응용에 어려움이 있었다.

연구진은 심장의 물리적·생화학적 미세환경을 오가노이드에 구현해 기존 오가노이드의 한계를 효과적으로 개선했다. 먼저 심장의 다양한 세포 구성을 구현하고자 인간 유도만능줄기세포로부터 분화된 심근세포 외에도 심장 섬유아세포, 혈관내피세포까지 세 종류의 세포를 혼합했다. 이후 혼합된 세포를 심장 조직 유래의 세포외기질 지지체 내에 삼차원 배양해 심장 오가노이드를 제작했다. 이로써 실제 심장 조직 내 존재하는 다양한 세포 간 상호작용뿐만 아니라, 세포 및 세포외기질 간 상호작용도 구현하는 심장 오가노이드를 제작할 수 있었다. 또한, 심장 내 혈류 흐름과 산소·영양분 공급 등 동적 미세흐름을 구현하고자 미세유체 칩을 활용한 동적 배양법도 개발했다. 기존의 정적 배양법과 달리 산소와 영양분을 오가노이드 내부로 끊임없이 공급해주어, 오가노이드의 생존율을 높이고 장기배양을 가능하게 하였다.

이어 제작된 오가노이드의 응용 가능성을 검증했다. 부정맥 유발 위험도가 있는 약물을 오가노이드에 실험한 결과, 약물 반응이 기존 임상 데이터와 유사한 양상을 보였다. 또한, 오가노이드를 활용해 심장 섬유증, 긴 QT 간격 증후군 등 심장질환 모델 제작에도 성공했다. 뿐만 아니라 심근경색을 유발한 쥐에 심장 오가노이드를 이식해 심장 재생치료 가능성도 확인했다. 오가노이드가 이식된 쥐의 심장은 수축 기능 향상, 섬유화 감소, 손상된 조직의 재생 효과 등이 확인됐다. 심장 조직 내 안정적으로 생착한 오가노이드는 세포끼리 유기적으로 연결되어 수축 관련 신호가 원활히 전달됐다. 향후 부정맥 유발 가능성을 줄이는 치료제로 활용 가능함을 의미한다.

조승우 교수는 “이번 연구의 오가노이드는 향후 체외 모델 플랫폼으로써 신약 개발의 효율성을 높이고 심장 조직을 근본적으로 재건하는 재생치료제로 활용 가능할 것으로 보인다”며 “개발한 조직공학 기술은 다른 장기 오가노이드에도 접목해 추후 바이오산업 및 임상 치료에 적용될 것으로 기대된다”고 말했다. 본 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 16,6)’에 3월 22일(한국시간) 게재됐다.

논문제목: Versatile human cardiac tissues engineered with perfusable heart extracellular microenvironment for biomedical applications

논문주소: https://doi.org/10.1038/s41467-024-46928-y

[연구자 사진; (왼쪽부터) 연세대학교 생명공학과 조승우 교수, 가톨릭대학교 의대 박훈준 교수, 연세대학교 연구교수 민성진, 연세대학교 박사후연구원 김수란, 가톨릭대학교 박사과정생 심우섭]

 [논문의 주요 내용 그림; 심장 미세환경 구현한 심장 오가노이드 제작 과정 및 우수성]