성균관대학교(총장 유지범) 메타바이오헬스학과 김요한 교수가 이끄는 연구팀이 독일 막스플랑크 분자세포유전학 연구소(MPI-CBG)와 공동 연구를 통해, 사람의 간 문맥(Periportal) 영역을 몸 밖에서 정밀하게 재현하는 ‘인간 간 문맥 어셈블로이드(Assembloid)’를 개발하는 데 성공했다고 26일 밝혔다. 이번 연구 결과는 생명과학 분야 세계 최고 권위의 국제학술지인 ‘네이처(Nature)’에 12월 17일 자로 게재돼 그 학문적 가치를 인정받았다.

우리 몸의 ‘화학 공장’이라 불리는 간은 대사 작용과 해독, 담즙 생성 등 생명 유지에 필수적인 기능을 담당한다. 그동안 과학계는 실험실에서 간 질환을 연구하기 위해 ‘오가노이드(Organoid, 줄기세포를 배양해 만든 초소형 장기유사체)’를 활용해왔다. 하지만 기존의 간 오가노이드는 간을 구성하는 다양한 세포들 간의 복잡한 상호작용을 완벽히 구현하지 못해, 실제 인체 내부의 정교한 구조와 기능을 반영하는 데 한계가 있었다.

▲(왼쪽부터) (위) 성균관대 김요한 교수,

막스플랑크 연구소 Lei Yuan 박사, Sagarika Dawka 박사과정생, Anke Liebert 박사, Meritxell Huch 연구소장

이러한 난제를 해결하기 위해 성균관대 김요한 교수팀은 수술 과정에서 얻은 환자의 간 조직을 활용했다. 연구팀은 환자의 성숙한 간세포를 실험실에서 직접 증식시키는 기술을 확보하고, 이를 오가노이드 형태로 만드는 데 성공했다. 이렇게 만들어진 간세포는 실제 사람의 간처럼 담즙을 배출하는 통로(모세담관)를 갖추고, 약물을 분해하거나 에너지를 대사하는 기능을 장기간 유지했다.

 연구팀은 여기서 한 걸음 더 나아가, 배양된 ‘간세포 오가노이드’를 같은 환자에게서 유래한 ‘담관 오가노이드’, 그리고 간의 구조를 지지하는 ‘간 문맥 섬유아세포’와 결합했다. 마치 레고 블록을 조립하듯 서로 다른 세포들을 정교하게 3차원으로 재구성하여 ‘간 문맥 어셈블로이드’를 탄생시킨 것이다. ‘어셈블로이드’란 다양한 종류의 세포나 오가노이드를 조립(Assemble)하여 만든 차세대 인공 조직을 의미한다.

 이렇게 만들어진 어셈블로이드는 사람 간의 ‘문맥 영역’을 그대로 모사했다. 문맥 영역은 간세포와 담관, 혈관 등이 만나 물질 교환이 활발히 일어나는 핵심 부위다. 유전자 분석 결과, 연구팀이 개발한 어셈블로이드는 포도당을 합성하거나 노폐물인 요소를 처리하는 등 실제 인간 간이 수행하는 복합적인 기능을 완벽하게 수행하는 것으로 나타났다. 특히, 간의 위치에 따라 세포들이 각기 다른 역할을 수행하는 ‘영역 특이성(Zonation)’까지 확인되어 학계의 주목을 받았다.

 이번 연구 성과는 동물 실험을 줄이고 환자 맞춤형 치료를 앞당길 수 있다는 점에서 큰 의미가 있다. 연구팀은 어셈블로이드 내의 섬유아세포를 인위적으로 증가시켜, 간이 딱딱하게 굳어가는 ‘간섬유화’ 질환 모델을 구현해냈다. 이를 통해 실제 환자의 간경화 과정에서 나타나는 콜라겐 침착이나 세포 사멸 등의 현상을 실험실에서 재현하고 관찰할 수 있게 되었다.

 김요한 교수는 “이번 연구는 환자의 조직에서 유래한 다양한 세포들을 하나의 기능적인 조직으로 조립하여, 인체 간의 복잡한 구조와 질병 반응을 실험실에서 재현한 세계 최초의 사례”라고 설명하며, “앞으로 간섬유화, 담관 질환, 간암 등 다양한 난치성 질환의 치료법을 개발하고, 환자 개개인에게 맞는 약물을 미리 시험해보는 정밀 의료 플랫폼으로 활용될 것”이라고 밝혔다.

 한편, 이번 연구는 독일 막스플랑크연구회, 독일 연방교육연구부(BMBF), 유럽연구위원회(ERC) 등의 지원을 받아 수행되었다.

▲ 인간 간세포 유래 오가노이드 제작 모식도 및 간 문맥 어셈블로이드 제작 모식도