[쿠키과학] 생명공학의 열쇠 '오가노이드'… 실시간 고해상도 관찰 성공

KAIST, 홀로토모그래피 이용 오가노이드 실시간 동적변화 포착
신약개발, 맞춤치료 등 의학바이오 광범위 적용 기대

기사승인 2024-10-14 15:41:47

줄기세포로 만든 ‘오가노이드’는 실제 장기와 유사한 기능을 가져 질병모델링, 신약 개발, 맞춤형 치료 등 다양한 의료바이오 연구에 활용된다.

특히 3차원 구조의 오가노이드는 기존 2차원 세포 배양법보다 정확하게 생체 조직과 세포 조직을 재현할 수 있다.

그러나 오가노이드의 복잡한 구조와 생물학 현상을 완전히 이해하려면 고해상도 실시간 이미지가 필요하다.

기존 기술은 주로 형광 라벨링을 사용하는데, 이는 시간이 오래 걸리고 포토톡시시티, 포토블리칭 등의 문제를 야기한다. 때문에 라벨 없이 생체시료를 고해상도로 실시간 관찰할 수 있는 이미징 기술이 요구되고 있다.

오가노이드 활용 의과학 혁신 기대

KAIST 물리학과 박용근 교수 연구팀이 기초과학연구원(IBS) 유전체교정연구단, ㈜토모큐브와 공동연구로 살아있는 오가노이드의 실시간 동적변화를 고해상도로 관찰하는 데 성공했다.

홀로토모그래피 이용한 오가노이드 3차원 형태복원 및 정량적 분석 연구흐름도. KAIST

공동연구진은 기존 이미징 기술의 단점을 해결하기 위해 저조도 홀로토모그래피 기술을 도입했다.

연구진은 실험쥐의 소장에서 유래한 오가노이드로 이 기술을 검증한 결과 다양한 세포 구조를 세밀하게 관찰함은 물론 오가노이드의 성장 과정과 세포의 분열 및 사멸 등 동적변화를 실시간 포착했다.

또 약물처리에 따른 오가노이드 반응을 정밀하게 분석, 세포의 생존 여부도 확인할 수 있다.

특히 홀로토모그래피 영상을 분석해 오가노이드의 성장 패턴, 형태학적 변화, 단백질 밀도 등을 정량평가하고 세포 사멸 및 생존율을 분석하기 위해 약물처리 후 형태학적 변화를 관찰했다.

이를 통해 오가노이드의 고해상도 형태학적 세부사항과 동적 활동을 포착하고, 시간경과에 따른 오가노이드 성장패턴과 세포수준의 다양한 생명현상을 실시간 관찰하는 데 성공했다.

홀로토모그래피를 이용해 기존 현미경으로 보기 어려웠던 장 오가노이드의 내강 및 융모 발달과정을 실시간으로 관찰한 사진. KAIST

연구진은 저조도 홀로토모그래피 분석기법이 전처리 과정 없이 3차원 정보가 중요한 오가노이드의 구조적 무결성을 유지, 약물반응을 실시간으로 평가할 수 있어 신약개발 과정에서 중요한 도구로 활용될 것으로 내다봤다.

아울러 환자 유래 오가노이드를 이용한 맞춤형 치료는 물론 재생 치료제로의 활용도 극대화하는 등 향후 의생명 연구에 큰 기여를 할 것으로 기대했다.

이번 연구논문의 제1저자인 이만재 박사는 “이번 연구는 기존 기술의 한계를 뛰어넘는 새로운 이미징 기술로, 향후 오가노이드 활용 질병 모델링과 환자 맞춤형 치료, 신약개발 연구에 크게 기여할 것”이라고 말했다.

(왼쪽부터)KAIST 의과학대학원 이만재 박사, KAIST 물리학과 박용근 교수. KAIST

한편 이번 연구결과는 지난 1일 국제학술지 ‘Experimental & Molecular Medicine’온라인판에 게재됐다.
(논문명: Long-term three-dimensional high-resolution imaging of live unlabeled small intestinal organoids via low-coherence holotomography)