- 3차원 나노섬유 멤브레인으로 구현한 유니맷 플랫폼 개발

- 포스텍-UNIST 공동 연구팀, 오가노이드 균일성 및 재현성 문제 해결

- 유니맷, 오가노이드 기반 연구개발 가속화 및 동물대체시험법 개발 기여 기대

포스텍과 UNIST 연구팀이 오가노이드의 비균질성과 낮은 재현성 문제를 해결할 수 있는 유니맷 플랫폼을 개발했다. 나노섬유로 3D 멤브레인을 구현해 오가노이드의 균일한 형성과 분화·성숙을 돕는 이 기술은 임상시험과 신약 개발에 큰 도움이 될 전망이다.

▲가. 유니맷 플랫폼의 모식도 나. 유니맷 제작 과정 다. 제작된 유니맷 플랫폼 사진

동물대체시험법 및 재생 치료제 개발에 청신호가 켜졌다.

한국연구재단은 김동성 교수(포스텍, 제1저자 김도희 연구원) 연구팀과 박태은 교수(UNIST, 제1저자 임현지 연구원) 연구팀이 공동으로 생체 기능을 구현한 오가노이드(줄기세포를 3차원적으로 배양하거나 재조합해 만든 장기유사체로 미니 장기, 유사 장기로도 불린다)를 균일하게 대량 생산할 수 있는 플랫폼을 개발했다고 밝혔다.

오가노이드는 실제 장기와 유사한 기능을 수행하는 3차원 세포 구조체로, 인간 장기 발달, 질병 모델링, 재생 치료제 연구에서 주목받아 왔다. 

그러나 오가노이드의 비균질성과 낮은 재현성 문제는 오가노이드의 대량 생산에 걸림돌이 되고 있으며, 이러한 문제는 임상시험 검증과 신약 개발 과정에서 오가노이드의 실질적인 활용을 제한하고 있다. 또한, 기존 기술로는 오가노이드를 대량으로 생산하는 데 한계가 있어, 산업적 요구를 충족시키기에도 부족한 상황이다. 

이러한 문제를 해결하기 위해 공동 연구팀은 성숙한 오가노이드를 대량으로 생산할 수 있는 플랫폼인 유니맷(UniMat, Uniform and mature organoid culture platform)을 개발했다. 

이 플랫폼은 머리카락의 1/200 크기인 매우 가는 나노섬유로 3차원 멤브레인(두께가 얇은 막)을 구현한 것으로, 오가노이드가 균일하게 형성될 수 있는 구조적 환경을 제공함과 동시에 물질 투과성을 통해 오가노이드의 분화와 성숙에 필요한 영양분과 분화 인자를 효율적으로 공급하도록 설계됐다. 

연구팀은 유니맷을 통해 인간 유도만능줄기세포로부터 인간의 신장과 유사한 네프론 구조와 혈관이 형성된 신장 오가노이드를 일관된 품질로 생산하는 데 성공했으며, 생산 효율 또한 크게 개선시켰다. 더불어 유니맷을 활용해 다낭성 신장 질환 모델을 구축하고, 표준화된 오가노이드 기반 질병 모델링과 약물 평가의 가능성을 확인했다.

이번 연구성과를 통해 높은 재현성과 신뢰성을 요구하는 오가노이드 기반의 연구개발을 가속화할 수 있을 뿐 아니라, 최근 각광받고 있는 동물대체시험법 개발에도 크게 기여할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 

또한, 유니맷을 통해 오가노이드의 품질 확보와 대량 생산 문제를 동시에 해결함으로써, 오가노이드의 임상 및 제약 산업에서의 실질적 활용을 위한 발판을 마련했다고 보고 있다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 바이오·의료기술개발사업, 중견연구, 우수신진연구 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 ‘네이처커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 10월 31일 온라인 게재되었다. 

▲(그림 1) 가. 유니맷 플랫폼의 모식도 나. 유니맷 제작 과정 다. 제작된 유니맷 플랫폼 사진

균일함과 동시에 성숙한 오가노이드를 대량으로 생산할 수 있는 유니맷 플랫폼(그림 1(가))은 나노섬유 멤브레인 기반의 열성형 공정을(그림 1(나)) 통해 만들어진 3차원 물질 투과성 멤브레인(그림 1(다))이다.

그림설명 및 그림제공 : 포항공과대학교 김동성 교수

▲(그림 2)가. 유니맷에서 대량으로 생산된 신장의 네프론 구조가 구현된 신장 오가노이드 나. 혈관 구조가 형성된 신장 오가노이드 다. 유니맷을 활용한 다낭성 신장 질환 및 약물 평가 모델 구축

연구팀은 유니맷을 통해 인간 유도 만능 줄기세포로부터 실제 신장 구조와 유사한 네프론 구조가 구현된 성숙한 신장 오가노이드를 균일한 크기로 대량 생산할 수 있었으며 (그림 2(가)), 신장 오가노이드에 혈관 구조가 형성된 것을 확인했다 (그림 2(나)). 추가적으로 연구팀은 유니맷을 활용해 다낭성 신장 질환 모델을 성공적으로 구현하였으며, 이를 통해 표준화된 오가노이드 기반 질병 모델링 및 약물 평가 시스템의 가능성을 확인하였다 (그림 2(다)).

그림설명 및 그림제공 : 포항공과대학교 김동성 교수