위 유사장기

위 유사장기 혹은 위 유사장기(Stomach organoids)는 자가 재생 및 자가 조직화가 가능하며 위의 생리학적인 특성을 띄는 3차원 세포 집합체이다. 배아줄기세포(embryonic stem cell, ESC) 또는 유도만능줄기세포(Induced pluripotent stem cell, iPSC)와 같은 다능성줄기세포(pluripotent stem cell) 및 Lgr5+ 위성체줄기세포(Stomach adult stem cell)를 3차원 배양조건에서 다양한 신호전달 경로를 일시적으로 조작 및 배양하여 제작 가능하다^[1].

위 유사장기의 구조적 특성

위는 분문부(cardia), 기저부(fundus), 몸체부(corpus), 전정부(antrum), 유문(pylorus)로 나눠질 수 있으며 위점막 표면에는 위소와(gastric pits)라 하는 다수의 울퉁불퉁한 부위가 있고, 이 내층에는 선세포가 존재하여 위선(gastric gland)을 형성하고 있다. 부위에 따라 분문선, 위저선, 유문선으로 크게 구분된다. 분문선은 분문부에 존재하며 주로 점액세포로 구성된다. 위저선(fundic/corpus glands)은 위상부의 2/3를 차지하며 단백질 분해효소 펩신의 전구체인 펩시노겐을 분비하는 주세포(chief cell), 염산을 분비하는 벽세포(parietal cell), 점액을 분비하는 부세포를 포함한다. 유문선(antral/pyloric glands)은 유문에 가까운 위의 1/3를 차지하며 부세포와 유사한 점액세포로 이루어지고 가스트린을 분비하는 G세포, 소마토스타틴을 분비하는 D세포를 포함한다. 또한 각각의 위선은 내분비세포 및 3일마다 교체되는 위내면의 항상성 유지를 위한 줄기세포를 가진다. 제작된 위유사장기는 주변미세환경요소(niche factor) 및 배양방법에 따라 상기된 위의 특정부분에 해당하는 세포종류를 포함하게 된다.

위 유사장기의 역사

2009년, Lgr5+ 장줄기세포를 NOG, EGF, LGR5 리간드, RSPO와 같은 필수 주변미세환경요소를 성분으로 하는 배지와 매트리젤 지지체 안에서 배양하여 만들어진 구조가 실제 장기(조직)와 놀랄만큼 유사하다는 것을 강조하기 위해 ‘유사장기’라는 표현이 처음 사용되었다^[2]. 후에 위의 유문선 아래쪽에 존재하는 Lgr5+ 세포가 마우스 위유문상피조직의 항상성을 유지하는데 기여하는 줄기세포인 것이 확인되었으며, 장유사장기 형성에 사용된 주변미세환경요소를 비롯한 FGF-10, GAST와 같은 성장인자를 추가로 혼합하여 마우스의 위 유사장기를 처음으로 배양하였다^[3]. 이후 동일한 배양조건 하에 추가적으로 TGFβ 신호의 억제를 통해 사람의 위줄기세포를 성체 위상피조직의 특징을 띠는 3차원 유사장기로 만들어 장기배양하는데 성공하였다^[4].

위 유사장기의 종류

배아줄기세포 및 유도만능줄기세포로부터 만든 유사장기

마우스 및 사람의 경우, 배반포의 내세포괴로부터 모든 배엽으로 분화 가능한 다능성을 지닌 배아줄기세포를 얻을 수 있으며^[5] 체세포는 세포융합^[6], 핵치환^[7] 또는 다능성 인자(Oct4, Sox2, Klf4, c-Myc)의 과발현^[8] 등을 통해 다능성을 갖는 세포로 역분화가 가능하다. 이렇게 만들어진 사람 및 마우스의 다능성줄기세포는 거의 모든 종류의 세포로 분화 가능하므로 위 유사장기의 발달을 유도할 수 있으나, 2차원 배양조건은 기관으로의 형태발생을 관찰하기 어렵기 때문에 3차원 배양시스템을 사용한다.

위유사장기의 형성은 배아줄기세포 또는 유도만능줄기세포를 내배엽으로 분화시키는 단계, 소화기관의 앞부분인 전장(foregut)으로 유도하는 단계, 위의 특정부분 및 세포로 유도하는 단계로 나누어지며 단계별로 특정 주변미세환경요소에 노출시켜 분화를 유도한다. 액티빈은 배아 및 유도만능줄기세포를 내배엽으로 분화시키며 Wnt, FGF4, NOG는 전장으로의 분화를 돕는다. 이후 RA, NOG, EGF를 처리하면 성장, 분화 및 위전정부 상피조직의 위선 발달을 유도하여 전정부로의 특이적인 분화가 가능하다^[1]. 이에 반해 중간엽세포와 함께 배양하며 소닉 헤지호그 신호 전달 경로의 활성화 및 윈트 신호전달 경로의 억제를 통해 위의 몸체부에 존재하는 주세포 및 벽세포의 분화를 유도하여 위산 분비를 가능케 할 수 있다^[9].

1차 조직으로부터 만든 유사장기

Lgr5+ 유문줄기세포가 확인된 이후 위의 몸체부 및 유문부에서 얻은 마우스의 위줄기세포로부터 EGF, NOG, RSPO 및 FGF-10, GAST와 같은 성장인자를 조합하여 위유사장기를 얻을 수 있었으며^[3], 사람의 위에서 얻은 위줄기세포 또한 TGFβ 신호 전달 경로의 억제를 통해 위유사장기를 생성할 수 있었다^[4]. 위의 몸체부에서 얻은 줄기세포로부터 만들어진 유사장기에서는 벽세포 분화가 이루어지지 않는 단점이 있는데, 간충직 주변미세환경요소 존재하에 배양, 또는 무한증식하는 위간충직세포와 위의 몸체부 유사장기를 같이 배양한 경우에는 일부분 벽세포로의 분화가 관찰되었다^[10]. 사람의 다능성줄기세포에서 유래된 유사장기와 비교하여 성체줄기세포로부터 만든 유사장기가 갖는 장점은 정상조직에서 얻은 줄기세포뿐만 아니라 암조직으로부터 얻은 줄기세포를 통해서도 유사장기 형성이 가능하다는 점이다. 이와 같이 환자유래물로 만들어진 위종양 유사장기는 항암제 테스트 및 환자 맞춤형 의학 연구에 사용될 수 있다.

위 유사장기의 활용

줄기세포 및 발생학 연구

유사장기는 생체외에서 분리된 하나의 세포로부터 생성되므로 제한적인 수를 가지는 세포 계통으로부터의 세포증식이 가능하다는 장점이 있으며, Lgr5, Tnfrst19, Cckbr 및 Mist1과 같은 줄기세포 마커를 가지는 세포를 분리하여 위줄기세포의 존재 및 발생학적인 측면에 대한 연구에 사용할 수 있다^[4]. 생성된 위유사장기는 발달 단계의 특징을 잘 유지하고 있을 뿐만 아니라 실제 위의 발달이 이루어지는 단계를 모사하므로 기능적으로 성숙되는 분화과정을 관찰 할 수 있도록 도와준다. 이 때 위의 특정 분화 단계에 필요한 주변 미세환경에 대한 연구를 통해 조직 분화 및 형성에 필요한 신호 전달 네트워크를 알 수 있다.

위 관련 질환 모델링 및 원인 규명

위유사장기 시스템은 위와 관련된 질환이 모델링을 가능하게 하며 이는 해당 질환의 원인을 규명하는 데 도움을 줄 수 있다. 환자의 위암 조직으로부터 위암 유사장기를 배양하는 경우 환자의 특이적인 조직학적 특징 및 생리활성을 재현할 수 있으며 유사장기 기반 박테리아 감염 모델은 박테리아와 세포간의 특이적인 상호작용의 관찰을 가능하게 한다. 사람의 위염 및 위암의 발병 원인균으로 알려진 헬리코박터 파일로리(H. pylori)를 위유사장기에 미량주사하여 염증반응을 유도하는 연구가 진행되었으며 이 반응은 유사장기에 존재하는 세포의 종류에 의존적인 것으로 나타났다^[4]. 또한 헬리코박터 파일로리균의 독성인자인 CagA는 유사장기로부터 분화된 세포 또는 유사장기에 존재하는 상피세포로 이동하여^[11] 원발암유전자인 c-MET와 상호작용하고 증식을 유도하는 것이 확인되었다^[12].

치료제 개발 및 재생의학

2차 배양조건의 세포주의 경우 여러번의 계대배양으로 인해 생성된 돌연변이 및 다른 세포주와의 오염 가능성으로 인해 약물 스크리닝에 사용될 시 그 정확성을 떨어뜨린다. 하나의 분리된 세포로부터 얻어진 유사장기는 이러한 한계점을 극복 가능하게 하여 해당질환의 약물 개발에 더 적합한 모델로 사용될 수 있다. 또한 환자의 조직으로부터 얻은 유사장기는 환자에게 적합한 약물 스크리닝은 물론이고 새로운 약물 개발에도 사용될 수 있다. 약물 치료가 아닌 이식을 통한 치료의 경우에는 환자에서 얻은 생체시료로부터 환자와 동일한 유전자를 갖는 조직형성 및 CRISPR/Cas와 같은 유전자 편집 기술을 통해 환자의 유전적 결함을 수정하여 정상조직을 효과적으로 형성하는 데에도 사용할 수 있을 것이다^[13].

위 유사장기의 전망 및 해결과제

위유사장기는 실제 위의 특정부분과 일치하는 세포로 구성된 3차원 구조이므로 2차 배양조건에서 이루어지던 연구와 비교하였을 때 여러 가지 측면에서 많은 이점을 제공하여 질환의 원인규명, 약물스크리닝 및 개발, 환자 맞춤형 의료 등에 사용될 수 있을 것이며, 유전자 편집 기술 등의 새로운 기술의 적용을 통해 보다 다양한 질병 모델링 및 재생의학에 적용 가능할 것이다. 그러나 위의 전체 부분 및 실제 구조로의 재현은 부족하다. 단순한 생체외실험 외에 유사장기의 활용방면중 하나인 이식 가능한 유사장기 제작을 위해서는 형태는 물론이고 기능적인 면에서도 성숙해야 하므로 분화를 유도하는 배양법의 최적화 및 구조적 재현을 위한 방법 구상이 필요할 것으로 보인다. 또한 환자 유래 생체시료를 통한 연구 및 실제 적용(수술 등 의료행위)에 대한 윤리적인 제도도 뒷받침 되어야 할 것이다.

각주

1. McCracken, Kyle W.; Catá, Emily M.; Crawford, Calyn M.; Sinagoga, Katie L.; Schumacher, Michael; Rockich, Briana E.; Tsai, Yu-Hwai; Mayhew, Christopher N.; Spence, Jason R. (2014년 12월 18일). “Modelling human development and disease in pluripotent stem-cell-derived gastric organoids”. 《Nature》 516 (7531): 400–404. doi:10.1038/nature13863. ISSN 1476-4687. PMC 4270898. PMID 25363776.
2. Sato, Toshiro; Vries, Robert G.; Snippert, Hugo J.; van de Wetering, Marc; Barker, Nick; Stange, Daniel E.; van Es, Johan H.; Abo, Arie; Kujala, Pekka (2009년 3월 29일). “Single Lgr5 stem cells build crypt-villus structures in vitro without a mesenchymal niche”. 《Nature》 (영어) 459 (7244): 262–265. doi:10.1038/nature07935. ISSN 0028-0836.
3. Barker, Nick; Huch, Meritxell; Kujala, Pekka; van de Wetering, Marc; Snippert, Hugo J.; van Es, Johan H.; Sato, Toshiro; Stange, Daniel E.; Begthel, Harry (2010년 1월 8일). “Lgr5(+ve) stem cells drive self-renewal in the stomach and build long-lived gastric units in vitro”. 《Cell Stem Cell》 6 (1): 25–36. doi:10.1016/j.stem.2009.11.013. ISSN 1875-9777. PMID 20085740.
4. Bartfeld, Sina; Bayram, Tülay; van de Wetering, Marc; Huch, Meritxell; Begthel, Harry; Kujala, Pekka; Vries, Robert; Peters, Peter J; Clevers, Hans (2015년 1월). “In Vitro Expansion of Human Gastric Epithelial Stem Cells and Their Responses to Bacterial Infection”. 《Gastroenterology》 148 (1): 126–136.e6. doi:10.1053/j.gastro.2014.09.042. ISSN 0016-5085. PMC 4274199. PMID 25307862.
5. Thomson, J. A.; Itskovitz-Eldor, J.; Shapiro, S. S.; Waknitz, M. A.; Swiergiel, J. J.; Marshall, V. S.; Jones, J. M. (1998년 11월 6일). “Embryonic stem cell lines derived from human blastocysts”. 《Science (New York, N.Y.)》 282 (5391): 1145–1147. ISSN 0036-8075. PMID 9804556.
6. Blau, H. M.; Chiu, C. P.; Webster, C. (1983년 4월). “Cytoplasmic activation of human nuclear genes in stable heterocaryons”. 《Cell》 32 (4): 1171–1180. ISSN 0092-8674. PMID 6839359.
7. Chung, Young Gie; Eum, Jin Hee; Lee, Jeoung Eun; Shim, Sung Han; Sepilian, Vicken; Hong, Seung Wook; Lee, Yumie; Treff, Nathan R.; Choi, Young Ho (2014년 6월 5일). “Human somatic cell nuclear transfer using adult cells”. 《Cell Stem Cell》 14 (6): 777–780. doi:10.1016/j.stem.2014.03.015. ISSN 1875-9777. PMID 24746675.
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9. Noguchi, Taka-aki K.; Ninomiya, Naoto; Sekine, Mari; Komazaki, Shinji; Wang, Pi-Chao; Asashima, Makoto; Kurisaki, Akira (2015년 8월). “Generation of stomach tissue from mouse embryonic stem cells”. 《Nature Cell Biology》 17 (8): 984–993. doi:10.1038/ncb3200. ISSN 1476-4679. PMID 26192439.
10. Schumacher, Michael A.; Aihara, Eitaro; Feng, Rui; Engevik, Amy; Shroyer, Noah F.; Ottemann, Karen M.; Worrell, Roger T.; Montrose, Marshall H.; Shivdasani, Ramesh A. (2015년 4월 15일). “The use of murine-derived fundic organoids in studies of gastric physiology”. 《The Journal of Physiology》 593 (8): 1809–1827. doi:10.1113/jphysiol.2014.283028. ISSN 1469-7793. PMC 4405744. PMID 25605613.
11. Schlaermann, Philipp; Toelle, Benjamin; Berger, Hilmar; Schmidt, Sven C.; Glanemann, Matthias; Ordemann, Jürgen; Bartfeld, Sina; Mollenkopf, Hans J.; Meyer, Thomas F. (2016년 2월). “A novel human gastric primary cell culture system for modelling Helicobacter pylori infection in vitro”. 《Gut》 65 (2): 202–213. doi:10.1136/gutjnl-2014-307949. ISSN 1468-3288. PMC 4752654. PMID 25539675.
12. Bertaux-Skeirik, Nina; Feng, Rui; Schumacher, Michael A.; Li, Jing; Mahe, Maxime M.; Engevik, Amy C.; Javier, Jose E.; Peek, Richard M.; Ottemann, Karen (2015년 2월). “CD44 plays a functional role in Helicobacter pylori-induced epithelial cell proliferation”. 《PLoS pathogens》 11 (2): e1004663. doi:10.1371/journal.ppat.1004663. ISSN 1553-7374. PMC 4450086. PMID 25658601.
13. “사람의 발생과 질병에 대한 생체 외 모델로서 유사장기(Organoid)”. 2018년 5월 27일에 확인함.