Q1. 오가노이드란 무엇인가요?
오가노이드(Organoid)는 줄기세포* 등 조직 유래 세포를 3차원(3D)으로 배양해 실제 조직의 주요 구조와 기능을 모사하도록 만든 ‘미니 장기(organ)’ 입니다.
* 줄기세포(stem cell): 스스로 증식하고 다양한 세포로 분화할 수 있는 세포
3차원(3D) 배양은 세포를 평평한 공간에서 한 층으로 키우는 기존의 2차원(2D) 배양과 달리, 세포가 입체적인 환경에서 상호작용하며 자라도록 배양하는 방식입니다. 이 과정에서 세포들은 서로 신호를 주고받으며 실제 장기 조직과 유사한 3차원 구조를 형성하는데, 이때 바로 오가노이드가 만들어집니다.
특정 장기의 특성을 가지며 인체 밖에서 인체와 같은 환경을 구현해 내는 오가노이드. 최근 오가노이드는 신약 개발 과정 중 필수 단계라고 여겼던 동물 실험을 대체할 차세대 기술로 각광받고 있습니다.
Q2. 오가노이드는 어떻게 만들어지나요?
오가노이드는 줄기세포에 전달되는 성장 인자와 신호 물질을 조절해, 분화한 세포들이 스스로 조직을 형성하도록(self-organization) 유도하는 방식으로 만들어집니다.
예를 들어 장 오가노이드는 장 조직에 존재하는 줄기세포를 이용하거나 만능 줄기세포*를 장 세포로 분화시켜 만드는데, 이 과정에서 분화 촉진 인자, 성장 인자 등의 물질을 조합한 배양 배지를 제공함으로써 장 세포의 증식과 분화를 유도합니다.
* 만능 줄기세포(pluripotent stem cell): 줄기세포의 한 종류로, 신경세포·근육세포·간세포 등 우리 몸의 다양한 세포로 분화할 수 있는 세포. 배아줄기세포(ESC), 유도만능줄기세포(iPSC)가 만능 줄기세포에 해당한다.
반면 뇌 오가노이드는 주로 만능 줄기세포에서 시작해 뇌의 발달 과정에서 일어나는 세포 분화를 재현할 수 있도록 발달 신호를 단계적으로 조절합니다. 그 결과 분화한 세포들이 서로 신호를 주고받으며 뇌 조직과 유사한 구조를 형성합니다.
이처럼 오가노이드는 사용한 세포의 종류와 분화를 유도하는 조건에 따라 다양한 조직의 특성을 모사할 수 있습니다.
Q3. 오가노이드에는 어떤 종류가 있나요?
오가노이드가 ‘미니 장기’를 의미하는 만큼 뇌, 장, 간, 폐, 신장, 췌장 등 여러 장기 모델이 존재합니다.
대표적으로 뇌 오가노이드는 뇌의 발달 과정 연구, 혹은 알츠하이머나 자폐 스펙트럼과 같은 신경계 질환을 연구하는 데 활용됩니다. 장 오가노이드는 약물이 장 조직에 미치는 영향을 평가하거나 염증성 장 질환 등을 연구하는 데에, 간 오가노이드는 의약품 투여 시 간 독성 반응 연구에 주로 활용되고 있습니다.
모방하려는 장기의 종류 외에 세포의 기원에 따라서도 오가노이드를 구분할 수 있는데, 환자의 정상 조직, 혹은 종양 조직에서 채취한 세포로 만든 환자 유래 오가노이드(patient-derived organoid, PDO)가 대표적입니다. 환자 유래 오가노이드는 환자 개인의 조직 및 유전체 특성을 반영할 수 있어 질환의 특성을 분석하고 약물 반응을 확인하는 등 정밀 의료 연구에 활용되고 있습니다.
* Ki67(증식중인 세포), Pan-CK(상피 세포), Hoechst(핵)을 염색해 관찰
암 조직의 특성 연구에 사용되는 종양 오가노이드(tumor organoids)도 있습니다. 종양 조직에서 얻은 암세포를 실험실에서 배양해 실제 종양의 구조와 특성을 재현한 오가노이드로, 실제 암 환자의 종양 세포를 채취해 환자마다 다른 유전적 특성과 약물 반응을 미리 검증하거나 새로운 항암제를 조기에 발굴(drug screening)하는 데에 사용됩니다. 삼성 오가노이드가 대표적 예시로, 현재 삼성 오가노이드 서비스는 10종 이상의 암에서 450개가 넘는 환자 유래 오가노이드를 확보하며 신속한 초기 신약 발굴과 후보 물질 평가를 지원하고 있습니다.
Q4. 오가노이드의 장점은 무엇인가요?
오가노이드의 가장 큰 장점은 사람의 조직에서 나타나는 복잡한 반응을 실제 인체 내부가 아닌 체외, 즉 실험실에서 정교하게 관찰할 수 있다는 점입니다.
기존 2차원 세포 배양은 세포 간 상호작용을 충분히 반영하기 어려웠지만, 오가노이드는 조직 환경을 보다 실제와 가깝게 재현해 질환의 발생 과정과 약물의 효능·독성을 연구하는 데 활용되고 있습니다.
또한 오가노이드는 사람의 세포를 기반으로 하기 때문에 동물과 사람 사이의 종 차이에서 발생하는 의약품 효과 예측의 한계를 보완하는 데 활용될 수 있습니다. 이에 일부 신약 개발 과정에서 동물실험에 앞서 오가노이드를 활용해 신약 후보 물질의 효능을 확인하는 연구가 이루어지고 있고, 가까운 미래에 동물실험 의존도를 줄일 수 있는 대체 시험법으로도 주목받고 있습니다.
Q5. 오가노이드는 실제로 어떻게 활용되나요?
오가노이드는 질병의 발생과 진행을 연구하고, 신약 후보 물질의 효능과 독성을 평가하며, 환자별 약물 반응을 확인하는 등 의약학 연구 전반에서 활용되고 있습니다. 또한 손상된 조직에 오가노이드를 이식해 기능을 회복하는 재생의료 현장에서도 오가노이드 연구가 활발히 진행 중입니다. 
오가노이드에 미세유체공학 기술 등을 결합해 인체 장기의 생리적 환경을 머리카락 굵기보다도 가 칩에서 구현하는 ‘오간 온 어칩(Organ-on-a-chip)’이 있는가 하면, 더 나아가 지구 밖 환경에서도 오가노이드를 연구 도구로 활용하는 등 오가노이드 기술은 다양한 분야의 과학 기술과도 융합하며 점차 활용 분야를 넓히고 있습니다.
Q6. 오가노이드 연구는 앞으로 어떻게 발전할까요?
삼성바이오로직스 김세희 그룹장(Organoids Technology그룹)은 “오가노이드가 혈관∙면역세포와의 상호 작용을 재현하고, 유전체 분석∙AI∙장기 칩 기술과 결합하면서 신약 후보 물질의 효능과 안전성을 보다 정확하게 평가할 수 있을 것으로 기대된다”며, 특히 “오가노이드가 동물 실험 결과만으로 사람의 반응을 완전히 예측할 수 없는 한계를 보완할 수 있다는 점에서 이 기술이 지닌 의미가 크다”고 전했습니다.
2022년 미국 FDA는 Modernization Act 2.0이 제정되면서 동물시험 외에 다양한 비임상시험 방법을 활용할 수 있는 제도적 기반을 확대하고, 동물 실험을 줄이고 인체의 대사를 보다 잘 반영하는 새로운 시험법의 활용을 확대하는 방향으로 정책을 구체화하고 있습니다. 이러한 변화 속에서 오가노이드는 향후 사람의 약물 반응을 보다 정확하게 예측하고 신약 개발의 효율성을 높이는 핵심 연구 플랫폼으로 자리 잡을 것으로 기대됩니다.
Q1. 오가노이드란 무엇인가요?
오가노이드(Organoid)는 줄기세포* 등 조직 유래 세포를 3차원(3D)으로 배양해 실제 조직의 주요 구조와 기능을 모사하도록 만든 ‘미니 장기(organ)’ 입니다.
* 줄기세포(stem cell): 스스로 증식하고 다양한 세포로 분화할 수 있는 세포
3차원(3D) 배양은 세포를 평평한 공간에서 한 층으로 키우는 기존의 2차원(2D) 배양과 달리, 세포가 입체적인 환경에서 상호작용하며 자라도록 배양하는 방식입니다. 이 과정에서 세포들은 서로 신호를 주고받으며 실제 장기 조직과 유사한 3차원 구조를 형성하는데, 이때 바로 오가노이드가 만들어집니다.
특정 장기의 특성을 가지며 인체 밖에서 인체와 같은 환경을 구현해 내는 오가노이드. 최근 오가노이드는 신약 개발 과정 중 필수 단계라고 여겼던 동물 실험을 대체할 차세대 기술로 각광받고 있습니다.
Q2. 오가노이드는 어떻게 만들어지나요?
오가노이드는 줄기세포에 전달되는 성장 인자와 신호 물질을 조절해, 분화한 세포들이 스스로 조직을 형성하도록(self-organization) 유도하는 방식으로 만들어집니다.
예를 들어 장 오가노이드는 장 조직에 존재하는 줄기세포를 이용하거나 만능 줄기세포*를 장 세포로 분화시켜 만드는데, 이 과정에서 분화 촉진 인자, 성장 인자 등의 물질을 조합한 배양 배지를 제공함으로써 장 세포의 증식과 분화를 유도합니다.
* 만능 줄기세포(pluripotent stem cell): 줄기세포의 한 종류로, 신경세포·근육세포·간세포 등 우리 몸의 다양한 세포로 분화할 수 있는 세포. 배아줄기세포(ESC), 유도만능줄기세포(iPSC)가 만능 줄기세포에 해당한다.
반면 뇌 오가노이드는 주로 만능 줄기세포에서 시작해 뇌의 발달 과정에서 일어나는 세포 분화를 재현할 수 있도록 발달 신호를 단계적으로 조절합니다. 그 결과 분화한 세포들이 서로 신호를 주고받으며 뇌 조직과 유사한 구조를 형성합니다.
이처럼 오가노이드는 사용한 세포의 종류와 분화를 유도하는 조건에 따라 다양한 조직의 특성을 모사할 수 있습니다.
Q3. 오가노이드에는 어떤 종류가 있나요?
오가노이드가 ‘미니 장기’를 의미하는 만큼 뇌, 장, 간, 폐, 신장, 췌장 등 여러 장기 모델이 존재합니다.
대표적으로 뇌 오가노이드는 뇌의 발달 과정 연구, 혹은 알츠하이머나 자폐 스펙트럼과 같은 신경계 질환을 연구하는 데 활용됩니다. 장 오가노이드는 약물이 장 조직에 미치는 영향을 평가하거나 염증성 장 질환 등을 연구하는 데에, 간 오가노이드는 의약품 투여 시 간 독성 반응 연구에 주로 활용되고 있습니다.
모방하려는 장기의 종류 외에 세포의 기원에 따라서도 오가노이드를 구분할 수 있는데, 환자의 정상 조직, 혹은 종양 조직에서 채취한 세포로 만든 환자 유래 오가노이드(patient-derived organoid, PDO)가 대표적입니다. 환자 유래 오가노이드는 환자 개인의 조직 및 유전체 특성을 반영할 수 있어 질환의 특성을 분석하고 약물 반응을 확인하는 등 정밀 의료 연구에 활용되고 있습니다.
* Ki67(증식중인 세포), Pan-CK(상피 세포), Hoechst(핵)을 염색해 관찰
암 조직의 특성 연구에 사용되는 종양 오가노이드(tumor organoids)도 있습니다. 종양 조직에서 얻은 암세포를 실험실에서 배양해 실제 종양의 구조와 특성을 재현한 오가노이드로, 실제 암 환자의 종양 세포를 채취해 환자마다 다른 유전적 특성과 약물 반응을 미리 검증하거나 새로운 항암제를 조기에 발굴(drug screening)하는 데에 사용됩니다. 삼성 오가노이드가 대표적 예시로, 현재 삼성 오가노이드 서비스는 10종 이상의 암에서 450개가 넘는 환자 유래 오가노이드를 확보하며 신속한 초기 신약 발굴과 후보 물질 평가를 지원하고 있습니다.
Q4. 오가노이드의 장점은 무엇인가요?
오가노이드의 가장 큰 장점은 사람의 조직에서 나타나는 복잡한 반응을 실제 인체 내부가 아닌 체외, 즉 실험실에서 정교하게 관찰할 수 있다는 점입니다.
기존 2차원 세포 배양은 세포 간 상호작용을 충분히 반영하기 어려웠지만, 오가노이드는 조직 환경을 보다 실제와 가깝게 재현해 질환의 발생 과정과 약물의 효능·독성을 연구하는 데 활용되고 있습니다.
또한 오가노이드는 사람의 세포를 기반으로 하기 때문에 동물과 사람 사이의 종 차이에서 발생하는 의약품 효과 예측의 한계를 보완하는 데 활용될 수 있습니다. 이에 일부 신약 개발 과정에서 동물실험에 앞서 오가노이드를 활용해 신약 후보 물질의 효능을 확인하는 연구가 이루어지고 있고, 가까운 미래에 동물실험 의존도를 줄일 수 있는 대체 시험법으로도 주목받고 있습니다.
Q5. 오가노이드는 실제로 어떻게 활용되나요?
오가노이드는 질병의 발생과 진행을 연구하고, 신약 후보 물질의 효능과 독성을 평가하며, 환자별 약물 반응을 확인하는 등 의약학 연구 전반에서 활용되고 있습니다. 또한 손상된 조직에 오가노이드를 이식해 기능을 회복하는 재생의료 현장에서도 오가노이드 연구가 활발히 진행 중입니다. 
오가노이드에 미세유체공학 기술 등을 결합해 인체 장기의 생리적 환경을 머리카락 굵기보다도 가 칩에서 구현하는 ‘오간 온 어칩(Organ-on-a-chip)’이 있는가 하면, 더 나아가 지구 밖 환경에서도 오가노이드를 연구 도구로 활용하는 등 오가노이드 기술은 다양한 분야의 과학 기술과도 융합하며 점차 활용 분야를 넓히고 있습니다.
Q6. 오가노이드 연구는 앞으로 어떻게 발전할까요?
삼성바이오로직스 김세희 그룹장(Organoids Technology그룹)은 “오가노이드가 혈관∙면역세포와의 상호 작용을 재현하고, 유전체 분석∙AI∙장기 칩 기술과 결합하면서 신약 후보 물질의 효능과 안전성을 보다 정확하게 평가할 수 있을 것으로 기대된다”며, 특히 “오가노이드가 동물 실험 결과만으로 사람의 반응을 완전히 예측할 수 없는 한계를 보완할 수 있다는 점에서 이 기술이 지닌 의미가 크다”고 전했습니다.
2022년 미국 FDA는 Modernization Act 2.0이 제정되면서 동물시험 외에 다양한 비임상시험 방법을 활용할 수 있는 제도적 기반을 확대하고, 동물 실험을 줄이고 인체의 대사를 보다 잘 반영하는 새로운 시험법의 활용을 확대하는 방향으로 정책을 구체화하고 있습니다. 이러한 변화 속에서 오가노이드는 향후 사람의 약물 반응을 보다 정확하게 예측하고 신약 개발의 효율성을 높이는 핵심 연구 플랫폼으로 자리 잡을 것으로 기대됩니다.
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