오르가노이드 배양에 대한 포괄적인 가이드

— 오르가노이드에 대한 이해를 더욱 깊게 해주는 포괄적인 기사입니다.

오르가노이드 소개

오르가노이드는 신체 외부에서 3D 배양을 통해 달성되는 내부 장기 또는 조직의 정상(또는 질병) 상태를 모방하는 생리적 기능을 가진 3차원 구조입니다. 더 간단하게 말하면, 오르가노이드는 줄기 세포가 매트릭스 젤에서 배양되는 3차원 세포 배양입니다. 화학적 억제제/활성화제, 사이토카인 및 배양 첨가제의 영향으로 오르가노이드는 해당 장기와 유사한 조직 구조로 발달합니다.

오르가노이드의 특성

오르가노이드는 자가 재생 능력을 가지고 있어, 소스 조직의 생리적 구조와 기능을 유지합니다. 종종 "접시 속의 미세 기관"이라고 불립니다. 줄기 세포의 자가 재생, 분화 및 자가 조직화 능력을 활용하여 오르가노이드는 바이오뱅크에서 사용하기 위해 냉동보관할 수 있으며 무제한으로 확장할 수 있습니다. 오르가노이드는 매우 복잡하며, 2D 세포에 비해 생체 내 상태와 더 유사합니다.

그림 1. 인간 대장선암세포의 오르가노이드 배양[1]

오르가노이드의 응용

오르가노이드의 독특한 특징은 생체 내 환경을 더 잘 시뮬레이션할 수 있는 능력으로, 분자 및 세포 생물학 분석에 적합합니다. 동물과 세포 수준 간의 격차를 메우는 오르가노이드는 종양 연구, 약물 스크리닝, 재생 의학 등의 분야에서 연구를 위한 뛰어난 솔루션을 제공합니다. 기능적 조직 유도, 질병 모델 확립, 약물 스크리닝, 항염증 검사, 임상 연구 및 기타 다양한 연구 측면에서 널리 적용되어 기초 연구와 전환 응용 프로그램 모두에서 큰 잠재력을 보여주었습니다.

오르가노이드 배양 시스템과 실험 기술이 계속 발전함에 따라 오르가노이드는 장(소장/대장), 위, 간, 심장, 폐, 전립선, 췌장, 신장, 유방, 뇌와 유사한 구조, 망막, 내이 등 다양한 조직과 장기에 사용되었습니다.

종양 줄기 세포에서 유래된 오르가노이드는 종양 발생 및 발달 메커니즘을 이해하고, 약물 감수성을 스크리닝하고, 정밀 의학과 개인화된 진단을 촉진하는 데 상당한 잠재력을 보여주었습니다. Cell과 Science의 여러 기사에 따르면 오르가노이드는 항암제의 효과를 예측하는 데 높은 민감도와 특이성을 보입니다. 최근 종양 오르가노이드는 암 약물에 대한 환자 반응을 예측하고 개인화된 치료 계획 수립을 돕는 데 역할을 하는 것으로 나타났습니다.

개발 메커니즘 연구: 오르가노이드의 분화 능력은 배아 발달 과정과 메커니즘을 연구하는 데 적합합니다. Wnt 및 BMP와 같은 신호 전달 경로에 의해 조절되는 유도 과정은 뇌, 췌장 및 위와 같은 기관의 발달을 연구하는 데 사용할 수 있습니다 [2][3][4].

질병 손상 모델 구축: 특정 조직이나 장기에서 유도된 오르가노이드는 특정 질병 모델을 연구하는 데 사용할 수 있습니다. Zhao Bing과 Lin Xinhua가 이끄는 팀은 인간 오르가노이드 감염 모델을 사용하여 SARS-CoV-2 감염과 간 손상의 분자적 메커니즘을 연구하여 바이러스의 병원성 메커니즘과 그에 따른 약물 개발을 연구하는 데 중요한 도구를 제공했습니다[5]. Peking University 생명과학부의 Deng Hongkui가 이끄는 연구 그룹은 소분자와 사이토카인을 사용하여 손상 재생의 특징을 가진 새로운 장 오르가노이드인 Hyper Organoid의 구성을 자극했습니다. 이 오르가노이드는 장기간 통과 및 증폭되어 유전체를 유지하고 대장 조직 손상 복구를 촉진하며 급성 대장염 동물 모델에서 병리학적 증상을 완화하는 등의 효과가 있습니다[6].

재생 의학: 줄기 세포에서 유래한 오르가노이드는 손상되거나 질병에 걸린 조직을 복구하거나 대체하여 정상적인 조직 기능을 회복할 수 있습니다. 이는 다른 신경 퇴행성 질환, 당뇨병, 심혈관 질환, 망막 질환, 척수 손상 등을 포함한 세포 치료에 광범위하게 적용됩니다. 재생 의학 분야의 새로운 치료법인 DA01은 SB-431542, LDN193189, CHIR-99021, Y-27632 및 Sonic Hedgehog(Shh) 단백질과 같은 소분자를 사용하여 다능성 줄기 세포를 자극하여 도파민 신경 세포로 분화합니다. 이러한 신경 세포는 그런 다음 말기 파킨슨병 환자의 뇌 손상 부위에 이식되어 질병 치료에 대한 새로운 방향과 접근 방식을 제공합니다[7].

약물 독성 및 효능 테스트: 오르가노이드는 특정 장기 또는 조직에서 신약의 약리 독성을 확인하는 데 사용할 수 있으며, 신약 개발을 위한 데이터 지원을 제공합니다. 시스플라틴의 신장 독성을 확인하기 위해 하이만 신장 오르가노이드를 사용하는 것이 한 예입니다[8].

약물 스크리닝: 줄기 세포에서 유래한 오르가노이드는 약물 반응의 시험관 내 테스트에 사용될 수 있으며, 약물 스크리닝에 대한 이론적 지원을 제공합니다. 대장 오르가노이드는 CFTR 돌연변이가 있는 환자의 약물 계획을 연구하는 데 사용될 수 있으며, 종양 오르가노이드는 환자의 개별화된 약물 상황을 평가하는 데 사용될 수 있습니다[9].

오르가노이드의 발달 역사

오르가노이드의 출처

정상적인 오르가노이드는 주로 다능성 줄기 세포(PSC)와 성체 줄기 세포(ASC)를 포함한 줄기 세포에서 유래합니다. 다능성 줄기 세포에는 배아 줄기 세포(ESC)와 유도 다능성 줄기 세포(iPSC)가 포함됩니다. 다능성 줄기 세포와 비교했을 때, 성체 줄기 세포는 모델링이 더 간단하고 빠르다는 장점이 있지만, 상대적으로 더 간단한 오르가노이드 구조를 구성해야 한다는 단점이 있습니다. 다능성 줄기 세포로 구성된 오르가노이드 구조는 더 복잡합니다.

오르가노이드 배양에 사용되는 제품

유기체 배양에서 일반적으로 사용되는 소분자(요약): 매우 실용적이므로 북마크하는 것을 잊지 마세요!

❶ Y-27632(Cat#53006ES, Cat#52604ES): Rock의 강력한 억제제로, ATP 경쟁을 통해 p160ROCK(Ki=140 nM) 및 ROCK-II(IC50=800 nM)를 경쟁적으로 억제합니다. 또한 PRK2(IC50=600 nM)도 억제합니다. 일반적으로 플레이트 배양에서 첫 번째 접종 중에 첨가합니다. 이후 배지를 바꿀 때는 첨가할 필요가 없을 수 있습니다. 인간 배아줄기세포를 Y-27632(10 µM)로 1시간 처리하면 세포 사멸을 억제하고 클론 효율을 높이며 세포 계대를 연장할 수 있습니다.

권장 작업 농도: 10 μM

❷ SB-202190(Cat#53005ES): p38α/β를 표적으로 하는 효율적인 p38 MAPK 키나제 억제제. SB202190은 인간 배아줄기세포를 심장근세포로 분화시키고, 신경줄기세포의 자가재생을 촉진하며, 위장관 및 유선조직 소기관 배양에 적용 가능합니다.

추천 용해 농도: 10mg을 3.018mL의 DMSO에 용해하여 10mM 용액을 얻고, -20℃에서 보관하세요.

권장 작업 농도: 10 μM

❸ CHIR-99021(Cat#53003ES): GSK-3(GSK3α/β) 억제제로 작용하는 아미노피리미딘 유도체입니다. 인간 배아줄기세포를 내배엽으로 분화시키는 것을 유도하며 신장 및 망막 기관체 배양에 사용됩니다. CHIR-99021은 다른 시약과 함께 사용하면 체세포가 줄기세포로 재프로그래밍되는 것을 자극합니다.

추천 용해 농도: 5mg을 DMSO 3.58mL에 용해하여 3mM 용액을 얻고, -20℃에서 보관하세요.

권장 작업 농도: 3 μM

❹ A 83-01(Cat#53002ES): Activin/NODAL/TGF-β 경로 억제제로 ALK5/4/7 키나제 활성을 억제합니다. 일반적으로 간, 전립선 및 유선 기관체 배양에 사용됩니다. 일반적으로 유도 다능성 줄기 세포(iPSC)의 분화를 억제하고 시험관 내에서 세포의 자가 재생을 유지하는 데 사용됩니다.

권장 용해 농도: 5 mg을 5.93 mL의 DMSO에 용해하여 2 mM 용액을 얻습니다. -20℃에서 보관합니다. (참고: 이 제품은 용액에서 불안정하며 제조 후 즉시 사용하는 것이 좋습니다.)

권장 작업 농도: 2 μM

❺ 가스트린 I(Cat#53007ES): 가스트린은 위벽 세포가 위산을 분비하도록 자극하는 내인성 위장관 펩타이드 호르몬입니다. 위장관 오르가노이드 연구에 필수적입니다. 장 및 간 오르가노이드를 배양할 때 가스트린을 첨가하면 오르가노이드의 생존 시간을 연장하는 데 도움이 됩니다.

권장 용해 농도: 1mg을 1% 암모니아 용액 2.38mL에 용해하여 0.2mM 용액을 얻고, -20℃에서 보관합니다.

권장 작업 농도: 10 nM

❻ 니코틴아마이드(Cat#51402ES): 비타민 B3인 니코틴아마이드는 다양한 효소적 산화환원 반응에 참여하며 위장관, 간, 유선선 기관소체의 배양에 사용됩니다. 니코틴아마이드는 사이토카인 및 기타 생화학적 시약과 함께 항염 특성을 나타내고, 간엽줄기세포를 인슐린 생성 세포로 분화시키는 것을 촉진하고, 서투인 활동을 억제하며, 기관소체 형성을 촉진하고 기관소체 수명을 연장하는 데 사용됩니다.

권장 용해 농도: 100mg을 8.19mL의 H2O(또는 DMSO)에 녹여 100mM 용액을 얻고, -20℃에서 보관하세요.

권장 작업 농도: 10 mM

❼ 포스콜린(Cat#51001ES): 포스콜린은 아데닐산 고리효소를 활성화할 수 있으며, 일반적으로 세포 내 cAMP 수치를 높이는 데 사용됩니다. 포스콜린은 다양한 세포 유형의 분화를 유도하고, PXR과 FXR을 활성화하며, 항혈소판 응집 및 항고혈압 효과가 있습니다. 간 기관체를 배양할 때 이 물질을 첨가하는 것이 필수적입니다.

권장 작업 농도: 1-10 μM

❽ 프로스타글란딘 E2(Cat#60810ES): 프로스타글란딘 E2(PGE2)는 많은 생리적 시스템을 조절하고 세포 증식과 분화를 매개합니다. 간 및 전립선 기관을 배양할 때 필요하며 평활근 이완, 염증, 생식, 수면 주기 조절 및 위 점막 무결성과 관련이 있습니다.

추천 용해 농도: 1mg을 0.28mL의 DMSO에 용해하여 10mM 용액을 얻고, -20℃에서 보관하세요.

권장 작업 농도: 500 nM

❾ N-아세틸-L-시스테인(Cat#50303ES): N-아세틸-L-시스테인(NAC)은 항산화제 글루타치온의 전구체로 항산화 및 ROS 억제 효과가 있습니다. 신경 세포 사멸을 억제하며 대부분 오르가노이드의 배양 과정에 필요합니다.

권장 용해 농도: 2g을 24.51mL의 H2O(또는 DMSO)에 녹여 500mM 용액을 얻고, -20℃에서 보관합니다.

권장 작업 농도: 1 mM

관련상품정보

참고문헌：

[1] Sato T, Stange DE, et al. 인간 대장, 선종, 선암 및 Barrett 상피의 상피 기관체의 장기 확장. 위장관학. 2011년 11월;141(5):1762-72. doi: 10.1053/j.gastro.2011.07.050. 2011년 9월 2일 Epub. PMID: 21889923.

[2] Lancaster MA, Renner M, et al. 뇌 기관체는 인간 뇌 발달 및 소두증을 모델화합니다. Nature. 2013.501(7467):373-379. http://dx.doi.org/10.1038/nature12517.

[3] Greggio C, et al. 인공 3차원 틈새는 시험관 내에서 췌장 발달을 분해합니다. 발달. 2013.140(21):4452-4462. http://dx.doi.org/10.1242/dev.096628.

[4] McCracken KW 외. 다능성 줄기 세포 유래 위 기관체에서 인간 발달 및 질병 모델링. Nature. 2014.516(7531):400-404. http://dx.doi.org/10.1038/nature13863.

[5] Zhao B, Ni C, et al. 인간 간관 소기관을 이용한 SARS-CoV-2 감염 및 담관세포 손상의 요약. Protein Cell. 2020년 10월;11(10):771-775. doi: 10.1007/s13238-020-00718-6. PMID: 32303993; PMCID: PMC7164704.

[6] Qu M, Xiong L, et al. 손상 관련 상피 재생을 모델링하는 장 기관체 배양의 확립. Cell Res. 2021년 3월;31(3):259-271. doi: 10.1038/s41422-020-00453-x. 2021년 1월 8일 Epub. PMID: 33420425; PMCID: PMC8027647.

[7] BlueRock Therapeutics는 진행성 파킨슨병 환자를 대상으로 한 1상 연구에서 DA01을 투여한 첫 번째 환자를 발표했습니다. BlueRock Therapeutics 보도 자료: 2021년 6월 8일.

[8] Takasato M, Er PX, et al. 인간 iPS 세포의 신장 기관체는 다중 계통을 포함하고 인간 신장발생을 모델화합니다. Nature. 2015.526(7574):564-568. http://dx.doi.org/10.1038/nature15695.

[9] Spence JR, Mayhew CN 외. 인간 다능성 줄기 세포의 시험관 내 장 조직으로의 지향적 분화. Nature. 2011.470(7332):105-109. http://dx.doi.org/10.1038/nature09691.