Keio University의 Sato 교수가 이끄는 연구팀은 간 질환 연구, 약물 평가 및 세포 이식에 활용될 수 있는 새로운 기술을 개발했습니다. 결국 이러한 발전은 간 연구가 변혁적인 새로운 시대로 접어들고 있음을 보여줍니다.

간은 생존에 필수적인 다기능 기관으로, 탄수화물·지질·단백질을 대사하고 약물을 해독하며 담즙산을 합성하고 분비합니다. 그러나 1차 인간 간세포는 체외에서 장기간 배양하기 어려워 약물 발견 및 질병 연구에서의 활용이 제한되어 왔습니다.

이러한 한계를 극복하기 위해 Keio University School of Medicine 생화학과의 Sato Toshiro 교수가 이끄는 연구팀은 간세포 기능을 유지하면서 장기 배양이 가능한 간세포 오가노이드 기술을 확립했습니다. 이 접근법을 통해 연구팀은 약물 대사, 담즙산 합성, 요소 회로를 포함한 주요 간 기능을 재현하는 기능적 모델을 개발하는 데 성공했습니다.

이러한 연구 결과는 신약 개발에서의 독성 시험, 지방성 간 질환의 병태생리 규명, 그리고 세포 이식을 통한 재생 의학 발전 등 다양한 분야에 폭넓게 활용될 것으로 기대됩니다.

연구진 소개

Toshiro Sato 박사

Keio University School of Medicine 통합의학 및 생화학과 교수

Sato 교수는 장, 간, 췌장을 포함한 여러 장기의 오가노이드 연구에 중요한 기여를 해왔으며, 조직 줄기세포로부터 기능성 조직을 재구성하는 기술 개발에 참여하고 있습니다. 그는 Japan Science and Technology Agency (JST) ERATO Sato Organoid Design Project를 포함한 여러 연구 프로그램의 프로젝트 디렉터를 맡고 있으며, 국내외에서 오가노이드 연구를 주도하고 있습니다.

Ryo Igarashi 박사
Keio University School of Medicine 통합의학 및 생화학과 프로젝트 조교수

Igarashi 박사는 간세포 오가노이드 배양 기술과 기능 분석을 전문으로 하며, 간 질환 모델 구축과 약물 반응 평가 연구를 수행하고 있습니다.

현재 어떤 오가노이드 연구 분야에 집중하고 계신가요?

Sato 교수: 저희는 현재 인간 유래 오가노이드를 이용해 장기의 형태뿐만 아니라 기능까지 재현하는 기능성 오가노이드 개발을 진행하고 있습니다. 특히 저희는 JST ERATO Sato Organoid Design Project를 통해 조직 줄기세포로부터 생리적 항상성을 조절하는 네트워크를 재현하는 것을 목표로 하고 있습니다. 또한 간, 장, 췌장을 포함한 기관에서 흡수, 대사, 분비, 신호 전달과 같은 복합 기능을 갖춘 오가노이드 구축도 진행하고 있습니다.

기능성 간세포 오가노이드는 핵심적인 간 기능을 시험관 내에서 재현하기 위해 어떻게 개발되었습니까?

Sato 교수: 간은 탄수화물, 지질, 단백질을 대사하고 약물을 해독하며 담즙산을 합성하는 등 다양한 필수 기능을 수행합니다. 이러한 기능을 재현할 수 있는 시험관 내 모델이 있다면 신약 개발, 독성 평가, 질병 기전 연구를 크게 촉진할 수 있을 것입니다.

그러나 기존의 1차 인간 간세포(PHHs)는 분리 후 빠르게 기능을 상실하기 때문에 장기 배양 및 유전자 조작에 적합하지 않습니다. 이러한 한계를 해결하기 위해 우리는 PHHs를 출발 물질로 사용하여 증식 가능한 간세포 오가노이드를 생성했으며, 이를 증식형 인간 간세포 오가노이드(eHHOs)라고도 합니다. 이후 분화 유도를 통해 약물 대사 효소, 요소 회로 효소, 담즙산 합성 효소의 발현이 향상된 분화형 인간 간세포 오가노이드(dHHOs)를 개발했습니다.

JST ERATO 프로젝트의 일환으로 수행된 본 연구는 오가노이드를 단순히 "미니 장기"가 아닌, 시험관 내에서 고유한 장기 기능을 재현하는 "기능적 모델"로 확립하는 것을 목표로 합니다. 간의 경우, 담즙 배출을 담당하는 담세관 구조와 존 분화²와 같은 in vivo 구조 및 기능을 재현하는 모델을 구축하는 것이 특히 중요합니다. 이번 성과는 이러한 방향에서 중요한 진전을 의미합니다.

Igarashi 박사: PHHs는 매우 가치가 높지만, 생존율과 기능의 변동성으로 인해 활용이 제한되어 왔습니다. 현재 기술을 이용해 PHHs에서 유래한 eHHOs를 100일 이상 안정적으로 배양하는 데 성공했으며, 100만 배 이상의 증식을 달성했습니다. 분화 유도를 통해 우리는 다양한 간세포 기능을 in vitro에서 in vivo에서 관찰되는 수준과 유사하게 재현할 수 있었습니다. 이러한 오가노이드는 지방간 질환 및 선천성 대사 장애의 모델로 활용될 수 있으며, 지질 방울³의 축적과 약물 반응과 같은 주요 특징을 재현할 수 있습니다. 이러한 오가노이드는 질병의 재현성을 크게 향상시키고 약물 평가의 정확성을 높일 잠재력을 가지고 있습니다.

² 존화: 간 조직 내의 간세포는 동질적이지 않으며, 간은 여러 개의 소엽 구조로 이루어져 있고, 각 소엽의 특정 영역에 특화된 대사 기능이 분포되어 있습니다. 구역화(zonation)라고 알려진 이러한 조직화는 포도당신생, 요소 회로, 약물 대사와 같은 활동이 특정 지역에서 조절되도록 합니다.

³ 지질 방울: 주로 중성 지질로 구성된 작은 구형 구조물로, 세포 내에 축적됩니다. 간세포에서 지질 방울의 축적은 지방간 질환의 주요 표지로 작용하므로, 오가노이드 모델에서 모니터링해야 할 중요한 지표입니다.

첨단 영상 기술은 오가노이드 구조 및 기능의 시각화와 분석을 어떻게 지원하는가?

Sato 교수: 간세포 오가노이드는 비교적 두꺼워서 내부 구조를 명확히 관찰하기 어렵습니다. APEXVIEW™ APX100 탁상형 형광 현미경에 적용된 그라디언트 콘트라스트 방법은 이러한 한계를 극복하여 지질 방울의 미세한 세부 사항을 명확하게 시각화할 수 있습니다(그림 1a). 특히 지방간 질환 모델 평가에서 이러한 지질 방울의 축적과 공간적 분포를 모두 시각화할 수 있는 능력은 질병 재현성을 검증하는 핵심 지표로 작용합니다.

그라디언트 대비 방법은 일반적인 플라스틱 배양 용기에서도 높은 대비의 이미지를 생성하여, 기존 배양 조건을 변경하지 않고도 고품질 관찰이 가능하게 합니다. 또한 이 시스템은 장거리 작업 거리 대물렌즈를 지원하여 Matrigel 내부의 높은 위치에 존재하는 오가노이드를 선명하게 이미징할 수 있습니다(그림 1b). 특수한 배양 용기나 별도의 준비 과정 없이 일상적인 배양 중에 오가노이드 상태를 직접 모니터링할 수 있다는 점은 연구 효율성과 재현성을 크게 향상시키는 장점이 있습니다.

Igarashi 박사: 형광 이미징이나 정량 데이터 획득의 경우, 신뢰성 있는 데이터를 효율적으로 얻는 것이 매우 중요합니다. APX100은 최대 3개의 슬라이드 표본을 동시에 수용할 수 있어 신속한 매크로 수준 위치 확인이 가능하며, 프로세스 관리자를 통해 직관적인 조작으로 스티치 이미지를 손쉽게 획득할 수 있습니다. 단시간에 고해상도 넓은 영역 이미징이 가능해 전체 조직 구조와 국소 구조를 모두 일관되게 평가할 수 있습니다.

본 연구에서 APX100으로 획득한 이미지는 마우스 간에 이식된 인간 간세포 오가노이드가 분화되어 간의 구역 구조를 재현하고, 대사 기능이 문맥⁴에서 중심정맥⁵까지 분포되어 있음을 명확히 보여주었습니다(그림 2).

고화질 이미지 획득과 효율적인 작동을 결합함으로써, APX100은 일상적인 연구 활동을 간소화하는 강력한 도구로 활용될 수 있습니다.

⁴ 문맥(portal vein): 간소엽 내의 핵심 구조물인 문맥은 장을 포함한 소화관에서 흡수된 영양분을 간으로 운반합니다. 문맥 주변의 간세포들은 포도당 신생합성, 암모니아 해독 등 영양소 대사와 관련된 다양한 기능을 담당합니다.

⁵ 중심 정맥: 간소엽 내에 위치하며, 간세포에서 처리된 혈액을 모아 전신 순환계로 흘려보내는 구조입니다. 중심정맥 주변의 간세포는 약물 대사와 지질 대사와 같은 기능을 수행합니다.

⁶ STEM121: 인간 세포에 특이적으로 발현되는 항원을 인식하며, 생쥐 조직에 이식된 인간 세포를 식별하는 데 사용되는 항체입니다.

⁷ HAL (히스티딘 암모니아 분해효소): 문맥 주변 간세포에서 고도로 발현되는 효소. 이 효소는 아미노산 대사와 포도당 신생합성에 핵심적인 역할을 하며, 간의 영양소 대사 활동을 평가하는 기능적 마커로 사용됩니다.

⁸ CYP2E1 (사이토크롬 P450 2E1): 중심 정맥 주변의 간세포에서 고도로 발현되는 이물질 대사 효소. 외래물질 대사와 지질 처리 과정에 관여하며, 간의 기능적 구역화와 분화의 중요한 마커로 작용합니다.

오가노이드 기술 분야에서 귀하의 연구는 앞으로 어떻게 발전할 것으로 보십니까?

Sato 교수: 앞으로 우리는 질병 특이적 유전자 변이를 가진 간세포 오가노이드를 활용해 보다 정밀한 질병 모델을 개발하고, 동물 실험을 대체할 수 있는 신약 개발 및 재생 의학 분야의 응용을 가속화하는 것을 목표로 하고 있습니다. 특히 오가노이드 기술은 간부전 및 유전성 간 질환에 대한 새로운 치료 접근법으로서 점점 더 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다.

이러한 맥락에서 이미징 시스템은 높은 광학 성능과 함께 사용자 친화적이고 직관적인 조작성을 갖추어야 합니다. 저희 연구실에는 많은 학생들이 있기 때문에 사용 편의성은 전체 연구 효율에 영향을 미치는 중요한 요소입니다. 이미징 시스템은 앞으로도 연구자들이 더 빠르고 일관되게 고정밀 데이터를 획득할 수 있도록 지원하는 필수적인 인프라로 계속 발전해 나갈 것으로 기대됩니다.

오가노이드 연구에서 선호되는 이미징 기능

2. 높은 범용성 및 플라스틱 용기와의 호환성

DIC 이미징은 편광에 의존하는데, 플라스틱 용기의 고유한 복굴절 현상으로 인해 이 편광이 왜곡되어 정확한 관찰이 어렵습니다.

대조적으로, 그라디언트 콘트라스트 이미징(gradient contrast imaging)은 편광광을 사용하지 않으므로 플라스틱 용기에서 안정적인 이미징이 가능하며, 세포 상태의 일상적인 모니터링에 유연하게 적용할 수 있습니다.

LUCPLFLN 시리즈와 같은 긴 작동 거리 대물렌즈와 함께 사용하면, 그라디언트 콘트라스트 이미징은 두꺼운 시료나 바닥이 높은 용기에서도 관찰이 가능하여 시료 종류나 용기 형태에 제한 없이 관찰을 지원합니다. 이러한 기능은 다양한 응용 분야에 활용될 수 있습니다(Keio University의 사례 참조:). 그림 1(b)).

참고문헌

본 연구에 대한 자세한 정보는 다음 문헌을 참조하시기 바랍니다.

Igarashi, R., Oda, M., Okada, R., Yano, T., Takahashi, S., Pastuhov, S., Matano, M., Masuda, N., Togasaki, K., Ohta, Y., Sato, S., Hishiki, T., Suematsu, M., Itoh, M., Fujii, M., and Sato, T. 2025. “성인인간간세포오가노이드의대사기능을갖춘생성.” Nature.

면책 조항: 이 인터뷰에서 표현된 의견과 진술은 연구자 개인의 것이며, 반드시 Evident의 공식 입장이나 주장을 반영하는 것은 아닙니다. 언급된 제품과 기술은 연구용으로만 사용되며, 임상 또는 진단 목적으로 설계된 것이 아닙니다.