- 인간 유도만능줄기세포로 골수 오가노이드 구현

- 방사선 노출 시 조혈세포 손상 · 회복을 정밀 재현

□ 한국원자력의학원(원장 이진경) 최상필 박사와 서울여자대학교 정재민 교수 공동연구팀이 인간 유도만능줄기세포(hiPSC)*로부터 골수 오가노이드(hBMO)*를 개발해 방사선에 의한 조혈세포 손상 및 복구 과정을 정밀하게 재현하는데 성공했다.

* 인간 유도만능줄기세포(human Induced Pluripotent Stem Cells): 원래 분화된 인간의 체세포(피부세포, 혈액세포 등)를 역분화시켜 배아줄기세포처럼 모든 세포로 분화할 수 있는 능력을 갖도록 만든 세포

* 인간 골수 오가노이드(human Bone Marrow Organoid): 인체 줄기세포를 3차원적으로 배양하여 만든 '미니 골수' 모델로서 실제 사람의 골수 조직이 가지고 있는 복잡한 구조와 기능을 시험관 내에서 최대한 유사하게 모방한 것

□ 이번 연구는 방사선 노출로 발생하는 조혈 급성 방사선 증후군(H-ARS)의 병리 과정을 인간 골수 오가노이드 수준에서 구현한 최초의 모델로, 향후 방사선 치료 부작용 및 골수 손상 신약 개발의 핵심 기반 기술로 활용될 전망이다.

□ 조혈 급성방사선증후군(H-ARS)의 치료는 현재 조혈 성장인자(G-CSF) 투여에 의존하고 있으나, 손상된 골수 미세환경을 완전히 회복시키는 데는 한계가 있다. 또한 기존 연구는 주로 동물모델에 의존해 왔지만, 사람의 조혈 미세환경과 생리적 차이로 인해 연구결과의 임상 적용이 제한적이었다. 이에 따라 인체 골수의 복잡한 구조와 세포 구성을 모사하는 인체 기반 연구모델의 필요성이 꾸준히 제기되어 왔다.

* 조혈 급성방사선증후군(Hematopoietic Acute Radiation Syndrome, H-ARS): 급성 방사선증후군의 주요 형태 중 하나로, 고선량 방사선(약 0.7~10Gy)에 노출될 경우 조혈 줄기세포가 급격히 파괴되어 골수 기능이 정지하고 감염과 출혈로 이어지는 질환

□ 연구팀은 인간 유도만능줄기세포를 혈관내피세포, 기질세포, 조혈줄기세포 등으로 분화시켜 3차원 인간 골수 오가노이드를 제작하고, 방사선에 의한 조혈세포의 손상과 복원 과정을 구현하여 실제 골수와 유사한 조혈환경이 성공적으로 재현되었음을 입증했다.

○ (손상 과정 정밀 재현) 개발된 인간 골수 오가노이드에 감마선 3, 6, 9Gy(그레이)를 조사한 결과, 방사선량에 비례한 조혈세포 감소, 미세환경 구조의 붕괴, DNA 손상 및 세포사멸 등이 뚜렷하게 나타나는 것을 확인했다.

○ (조혈 기능 복구 및 치료 플랫폼 입증) 전신 방사선 3Gy(그레이)를 받은 면역결핍 실험 쥐에 개발된 인간 골수 오가노이드를 이식하자 이식 후 50일까지 생존율이 약 70% 향상됐으며, 숙주 골수 내에 인간 면역세포의 성공적인 생착이 확인되었다.

○ (정교한 구조 확인) 또한 단일세포 RNA 시퀀싱 분석을 통해 이식된 오가노이드 내에 혈관내피세포, 기질세포, 조혈줄기세포 등 다양한 세포군이 정교하게 형성되어 실제 골수 환경과 유사한 조혈 환경이 재현되었음을 명확히 확인했다.

* 단일세포 RNA 시퀀싱 분석: 하나하나의 개별 세포에서 RNA 분자를 분리해 염기 서열을 분석하고, 그 정보를 바탕으로 각 세포의 유전자 발현 정도를 알아보는 기술

□ 이번 연구는 인간 유도만능줄기세포로 제작한 골수 오가노이드가 방사선 조혈 손상 연구와 치료제 개발을 동시에 수행할 수 있는 인체 기반 플랫폼임을 입증했다. 또한 복잡한 조혈환경의 구조적·기능적 특성을 오가노이드 수준에서 재현하여 인체 실험이 어려운 방사선 생체반응을 정량적으로 분석할 수 있는 연구 기반을 마련했다는 데 의의가 있다.

□ 연구성과는 국제 학술지 ‘바이오머터리얼즈(Biomaterials)’ 최신 호 온라인판에 게재되었다.

- 논문명: Human bone marrow niche organoids for disease modeling and therapeutic application in hematopoietic syndrome (저자: 박희빈(제1저자), 유인선(제1저자), 김태진(제1저자), 장효선, 김한별, 이승범, 유기천, 심세환, 최상필(교신저자), 정재민(교신저자))

□ 연구팀은 “이번 연구성과가 정부의 방사선·바이오 융합 성과 창출 전략에 부합하여, 기존 동물실험 대비 방사선 손상 및 재생 관련 신약 개발 과정의 효율성을 획기적으로 높이는 발판이 될 것”이라며, “나아가 정밀 의료와 재생의학 분야의 혁신을 앞당기는 핵심 동력이 되기를 기대한다”고 밝혔다.

□ 이번 연구는 과학기술정보통신부의 한국원자력의학원 ‘첨단 의과학기술 M.D.-Ph.D. 브릿지연구 활성화 사업’과 ‘유전체 교정 연구사업’, 서울여자대학교 ‘교내 연구지원사업’, 그리고 한국연구재단의 ‘기초연구사업’의 지원으로 수행됐다.

<붙임>

☐ 연구의 필요성

○ 고선량 방사선에 노출되면 조혈 줄기세포가 파괴되고 골수 기능이 마비되어 생명을 위협하는 조혈 급성 방사선 증후군(H-ARS)이 발생한다. 현재 치료는 조혈성장인자(G-CSF) 투여에 그쳐 손상된 골수의 근본적 회복에는 한계가 있으며, 기존 동물모델은 인간 골수의 복잡한 미세환경을 충분히 반영하지 못해 임상 적용이 어렵다. 이에 연구팀은 인간의 생리적 조혈환경을 실제와 유사하게 구현할 수 있는 새로운 인체기반 모델을 개발하고자 했다.

☐ 연구내용

○ 연구팀은 인간 유도만능줄기세포(hiPSC)를 단계적으로 분화시켜 실제 골수 구조를 모사한 3차원 인간 골수 오가노이드(hBMO)를 제작했다. 이 오가노이드는 조혈줄기세포, 혈관내피세포, 기질세포 등으로 구성되어 실제 골수와 유사한 미세환경을 형성했고, 감마선(3–9 Gy) 조사 시 조혈 세포의 감소, DNA 손상, 세포사멸이 뚜렷하게 나타나 방사선 유도 손상을 정밀하게 재현했다. 또한, 부분 치사선량으로 전신 조사한 면역결핍 마우스(NSG)에 hBMO를 이식하자, 생존율이 유의하게 향상되고 숙주 골수 내에서 인간 면역세포의 성공적인 생착이 확인되었다. 이로써 hBMO가 방사선 손상 연구와 치료제 평가를 위한 인체기반 플랫폼으로 활용될 수 있음을 입증했다.

☐ 기대효과

○ 방사선에 의한 조혈 손상 기전 분석과 신약 효능 검증이 가능한 인체기반 플랫폼 제시

○ 환자 맞춤형 줄기세포를 활용한 정밀 재생치료 연구로 확장되어, 개인별 치료 반응 예측과 정밀 의료 실현

▲ 인간 유도만능줄기세포(hiPSC)로부터 단계적으로 분화시켜 제작한

인간 골수 오가노이드(hBMO)의 생성 과정

▲ 조혈세포(CD34⁺, CD71⁺, CD41⁺) 및 혈관내피세포(CD144⁺)가 함께 형성된 미세환경

▲ 완성된 오가노이드의 혈관화 구조

▲ 부분 치사선량으로 전신 조사한 면역결핍 마우스(NSG)에

인간 골수 오가노이드(hBMO)를 이식한 결과

▲ 생존율이 유의하게 향상된 결과 그래프

▲ 인간 조혈모세포의 생착 및 분화로 인해 말초혈액 내

인간 면역세포(hCD45⁺)의 존재가 유세포분석으로 확인된 그림