진보된 형태의 숙주-공생미생물 간의 상호작용 연구모델 세계 최초 보고

기존 장세포 모델의 세포 다양성 및 기능성 부족 문제 해결한 최초의 성과

손미영 박사(중)

인체에서 상호 작용하는 미생물들의 총체적인 유전 정보를 뜻하는 마이크로바이옴은 ‘제2의 장기(forgotten organ)’로 일컬어질 만큼 인간의 건강 및 질병에 밀접하게 연관되어 있다. 중요 난치질환에 대한 새로운 대안으로 제시되고 있다. 이에 따라, 전 세계적으로 집중적인 연구 투자가 이루어지고 있으며, 과거의 개별 미생물 분석연구에서 나아가 인간, 동ㆍ식물 등 숙주와의 상호작용 연구로 그 범위가 점차 확대되고 있다.

한국생명공학연구원은 인간 전분화능 줄기세포로부터 분화된 3차원 장 오가노이드에 체외성숙화 기술을 적용하여, 진보된 형태의 숙주-공생미생물 간의 상호작용 연구모델을 세계 최초로 보고하였다. 금번 성과는 장내미생물 연구를 위한 세포 모델의 수준을 한 단계 높인 것으로서, 기존 장세포 모델의 세포 다양성 및 기능성 부족 문제를 해결한 최초의 성과이다.

한국생명공학연구원 줄기세포연구센터 손미영 박사팀, 생물자원센터 박두상 박사팀 과 한국과학기술연구원 생체재료연구단 김상헌 박사팀(교신저자 : 손미영/박두상/김상헌 박사, 제1저자 : 손예슬 UST 통합 4년차)의 공동연구로 수행한 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 대한민국 바이오 위대한 도전(Korea Bio Grand Challenge) 사업, 농촌진흥청사업 및 생명硏 주요사업의 지원으로 수행되었고, 생물학 분야의 권위지인 파셉 저널(the FASEB journal) 6월 30일자 온라인 판에 게재되었다.

인간 전분화능 줄기세포 유래 체외 성숙 장 오가노이드의 특성 획득(A) 장 오가노이드 분화과정 및 체외 성숙화 프로세스 모식도. (B,C,D) microarray, qPCR, Immunostaining을 통한 뮤신 합성-연관 마커 발현 분석. (E) AB/PAS staining을 통한 뮤신층 형성능 분석

논문명 Maturation of human intestinal organoids in vitro facilitates colonization by commensal lactobacilli by reinforcing the mucus layer이다.

연구팀은 3차원 인간 전분화능줄기세포 유래 장 오가노이드에 체외성숙화 기술을 도입하여 장내미생물 생착에 유리한 미세 환경을 갖춘 숙주-장내미생물 상호작용 연구모델을 제작하였다.

이러한 체외성숙화 장 오가노이드는 장내미생물이 장 상피에 부착/증식하기 위해서 필수적인 것으로 알려진 뮤신(mucin)을 분비하는 기능성 배상세포(goblet cell)를 포함하고 있으며, 이를 통해 뮤신층(mucus layer)을 형성하고, 장벽 기능(barrier function)이 증가되어 있다. 그 결과 인간의 장과 유사한 환경을 조성하여 기존 장 오가노이드의 장내미생물 연구 모델로서 한계점을 극복하였다. 배상세포(goblet cell)는 점막에 섞여있는 점액 분비 세포이다.

실제 유용 프로바이오틱스(probiotics, 유산균)로 알려진 락토바실러스를 미세주입하여 생착이 증가함을 확인함으로써, 체외성숙 장 오가노이드의 장내미생물 연구모델로서의 유용성을 증명하였다.

이번 연구는 인간 전분화능줄기세포 유래 체외성숙 장 오가노이드 기반 락토바실러스 연구모델을 세계 최초로 보고하였으며, 이는 장내미생물 연구 플랫폼으로서 장 오가노이드의 실용화 기반을 구축했다는데 의의가 있다.

체외 성숙 오가노이드 내 락토바실러스 증식률 증가 분석(A-B) 기존 오가노이드와 체외 성숙 오가노이드 내 미세주입 된 L.plantarum-RFP의 형광 발현량 분석. (C) Immunostaining을 통한 기존 및 체외 성숙 장 오가노이드 apical surface에 부착된 L. plantarum-RFP 비교 (D-E) 생균수 측정을 통한 오가노이드 내 L.plantarum 증식율 확인.

줄기세포연구센터 손미영 박사는 “오가노이드 연구분야의 가장 큰 목표는 성인을 모사하는 수준 높은 고기능 인간 오가노이드를, 다양한 연구를 위한 테스트-베드(test-bed)로써 제공하는 것이며, 특히 바이오 분야의 차세대 성장 동력으로 주목받고 있는 ‘마이크로바이옴’ 기반 치료제 연구 및 작용기전 연구에 혁신적으로 활용될 수 있다.”며, “이번 연구팀의 체외성숙화 장 오가노이드는 장내미생물의 생착과 증식이 가능한 최고 수준의 장내미생물 연구 모델로서 장내미생물과의 상호작용ㆍ기전 연구를 진행하고 있으며, 최근에는 ‘마이크로바이옴’ 조절 기전을 통한 질환 치료제 연구 등 다양한 융합영역에서 본 연구팀의 오가노이드를 이용한 연구를 진행하고 있다.”고 밝혔다.

한국생명공학연구원 홍보실 제공