[Nature News] 실험실에서 소형 위를 만들어 내다. Nature News




이 작은 인공 위는 질병 연구 및 약물 효과 검증에 쓰일 전망이다.

Mark Zastrow

2014.10.29


실험실에서 만들어진 소형 위의 일부분. 염색 결과 사람의 정상 위에서처럼 다양한 세포들이 존재함을 확인할 수 있었다.
by Klye McCracken

과학자들이 실제 배아에서의 발생 단계를 따라 사람 줄기세포를 조작함으로써 실험실에서 소형 위를 키우는데 성공하였다. 이 참깨만한 크기의 살아있는 조직 덩어리는 사람의 위와 비슷한 분비선 구조(gland structure)를 가지고 있으며 심지어 그 안에서 내장 미생물(gut bacteria)을 증식시키는 것도 가능하다.

이번 주 Nature에 발표된 이 연구결과는 사람의 배아에서 세포들이 위를 형성해 가는 과정을 쉽게 관찰할 수 있도록 해준다. 과학자들은 이 소형장기(organoid)가 암과 같은 질병을 이해하거나 약에 대한 위의 반응을 조사하는데 쓰일 수 있다고 말한다.

"이것은 매우 흥분되는 일입니다." 줄기세포생물학자(stem-cell biologist)인 Calvin Kuo (캘리포나아 주, Stanford University)의 말이다. "실험 접시 위에서 위의 발생을 재현한 이 연구는 기술의 측면에서 대단한 성취입니다."

소형 위를 만드는데 사용된 줄기세포는 다분화능(pluripotent)을 가진, 즉 가소성(plastic)을 가진 세포이다. 제대로된 환경만 주어지면 이 세포들은 어느 종류의 세포로도 분화할 수 있다. 그러나 실험실에서 이들을 특정 방향으로 몰아가기 위해서는 발생 과정에서의 환경 조건을 정확한 순서와 시간에 따라 재현해야만 한다. 즉 적절한 절차에 따라 단백질 및 호르몬 신호를 통한 신호를 줌으로써 세포가 어떻게 조직을 형성해 갈 것인가를 알려주어야 한다. 지금까지 실험접시 위에서 길러졌던 신장, 간, 뇌, 소장 조각들은 모두 이와같은 기술을 이용하여 만들어 졌다.


Stomach switch

전분화능을 가진 줄기세포를 위 세포로 바꾸는 열쇠는 세포가 소장 조직으로 커 나갈 것인가, 아니면 날문방(antrum of stomach) 조직으로 커 나갈 것인가를 결정하는 스위치 역할을 하는 신호전달계를 조절하는 것으로 밝혀졌다. 날문방은 소장에 가장 가까운 위의 부위를 뜻한다.

이해를_돕기위해_파워포인트로_그려_본_위의_구조.jpg

연구자들은 줄기세포를 배양한지 3일 째 되는 날 이 신호전달계의 억제제인 Noggin을 포함하는 단백질 혼합물을 넣어주고 시간에 맞춰 비타민 A의 유도체인 레티노산(retinoic acid)을 공급해 주었다. 9일이 지나면 단백질이 가득한 배양액 내에서 세포를 키운다.

34일 째가 되면 직경이 수 밀리미터에 불과한 소형장기를 볼 수 있다. 이 장기는 혈구세포도, 면역세포도 가지고 있지 않으며 음식을 소화시키거나 담즙을 분비하지도 못한다. 그러나  분비선 구조와 각 발생 단계 별 표지인자들은 실험쥐에서 적출한 정상 조직에서 보이는 것과 동일하다. 이 연구를 이끈 발생생물학자 James Wells (오하이오 주, Cincinnati Children's Hospital Medical Center)는 이러한 측면에서 "이 소형장기는 실제 위와 매우 비슷하다"고 말한다.

이러한 유사성 덕분에 과학자들은 이 소형장기에 날문방에 감염되는 균인 헬리코박터 필로리(Helicobacter pylori)를 주입하거나 위궤양 혹은 위암을 일으켜 봄으로써 사람의 질병을 재현, 연구할 수 있다. Wells의 연구팀은 헬리코박터 필로리가 주입 후 24시간 이내에 소형 위를 구성하는 세포의 증식 속도를 두 배로 늘리고 암을 일으키는데 관여하는 것으로 알려진 유전자인 c-Met을 활성화시킴을 보여주었다. 실제 헬리코박터 필로리에 감염된 사람의 위가 이러한 증상을 보임이 알려져 있다.

이 연구자들은 소형 위를 배아줄기세포 뿐만이 아니라 전분화능을 갖도록 유도된 피부세포(skin cell-derived iPS)로도 만들 수 있다고 말한다. 소화기관전문 병리학자인 Jason Mills (세인트 루이스 주, Washington University School of Medicine)은 각기 다른 사람들로부터 얻어진 피부 세포를 이용해서 수천 개의 소형 위를 만들고 이들을 특정 병원체를 감염시킴으로써, 개개인의 유전적 차이가 동일한 병원체에 대한 반응에 어떤 역할을 하는지 연구할 수 있을 것이라고 내다봤다.

Wells는 그의 연구팀의 장기 목표가 실제 사람에서 위궤양 부위를 잘라냈을 때 이를 대체할 수 있는 '개별 환자 맞춤형 위 조직의 생산을 가능케 하는 것'이라고 말한다. Wells와 그의 동료들은 사람 세포로부터 만들어진 소형 위를 이용하여 쥐의 위에 난 구멍을 매꾸는 실험을 이전에 진행한 바 있다.


덧글

  • 풍신 2014/11/04 09:36 # 답글

    제 기억엔 체내 환경인 상태(산성이나 온도까지 전부 맞춰서)에서 생화학 실험하는게 지극히 어려웠다고 기억하는데, 저런 것으로 그 점을 보완할 수 있을지도 모르겠군요.
  • hyunyi 2014/11/06 18:05 #

    아마도 체내 보다는 어느정도 변화의 가능성이 있을 것으로 보입니다. 하지만 이것도 세포 덩어리인 만큼 과도한 온도변화나 산도 변화에서는 망가져 버리겠죠. ^^;
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