 |
| 숙명여대 약학대학 배규운 교수 |
숙명여자대학교(총장 문시연)는 약학대학 배규운 교수와 성균관대 의과대학 강종순 교수 공동 연구팀이 인간 초기 심장의 형태 형성 과정과 축(Axis) 조직화를 인체 외에서 재현할 수 있는 '신장형(伸長型) 심장 오가노이드(EHO, Elongating Heart Organoids)'를 개발했다고 밝혔다.
태아의 심장 발달 과정에서는 직선 형태의 심장관이 길어지고 구부러지는 형태 변화가 일어난다. 이 과정에서 정맥극부터 동방결절 유사 세포, 심방, 심실, 동맥극으로 이어지는 극성 축이 형성된다.
연구팀에 따르면 선천성 심장 질환(CHD)의 상당수가 이러한 초기 형태 형성 이상에서 비롯되지만, 기존 심장 오가노이드 모델은 주로 구형(Spherical) 구조여서 조직 수준의 정교한 형태 형성과 구조적 축 형성을 재현하는 데 한계가 있었다.
이에 연구팀은 강한 외인성 분화 신호를 줄이고 줄기세포 자체의 자율적 자가조직화 능력을 활용하는 허용적 배양법(Permissive culture strategy)을 도입했다. 이를 통해 인간 유도만능줄기세포(hiPSC)로부터 실제 초기 심장처럼 스스로 길어지고 구부러지는 3차원 신장형 심장 오가노이드(EHO)를 제작했다.
이 EHO는 정맥-동맥 축을 따라 정맥동(Sinus venosus) 유사 세포, 심방 세포, 심실 세포가 공간적으로 정교하게 배치됐다. 또한, 정맥극에서 시작해 심실 방향으로 전파되는 순차적 수축 파동과 칼슘 이온 이동을 나타내 심장의 전기생리학적 특성도 모사했다.
단일세포 유전체 분석(Single-cell transcriptomics)과 궤적 추적 분석 결과, 정맥극에 위치한 증식성 내장 내엽엽(Splanchnic mesoderm) 세포에서 심장 세포가 지속적으로 공급되며 오가노이드가 구조적으로 길어지는 메커니즘을 확인했다. 나아가 선천성 심장 질환 관련 주요 유전자인 'TBX5'를 결손시킨 EHO에서는 신장과 구부러짐이 억제되고 불규칙한 수축이 발생해 인간 질환 모델링 도구로 활용될 가능성도 확인했다.
이번 연구는 배규운 교수와 성균관대 의과대학 강종순 교수 공동 연구팀이 두 교수가 대표를 맡고 있는 바이오벤처 애니머스큐어㈜ 연구진과 함께 수행했다. 연구 성과는 세포생물학과 발생학 분야의 세계적 권위지인 'Developmental Cell'(IF: 9.2, JCR 상위 3.95%) 게재가 확정됐다.
이번 연구는 인간 심장의 초기 발생 과정과 선천성 심장 기형의 원인을 유전적·환경적 측면에서 분석할 수 있는 인체 모사 시스템을 구축했다는 점에서 의미가 있다. 애니머스큐어는 이번에 확보한 EHO 기술을 선천성 심장 질환 모델링과 심장 독성 평가, 심혈관계 신약 후보 물질 스크리닝 플랫폼으로 활용할 계획이다.
배규운 교수는 "이번 연구는 줄기세포의 자가조직화 능력을 유도해 초기 심장의 입체적 형태와 축 조직화를 체외에서 재현한 최초의 성과"라며 "선천성 심장 질환의 발병 기전 규명과 오가노이드 기반 신약 개발 플랫폼의 경쟁력을 한층 높이는 계기가 될 것"이라고 밝혔다.
