줄기세포를 체외 시험관에서 배양해서 인체와 유사한 장기를 구현하는 오가노이드 (organoids) 연구는 인체장기의 구조와 기능을 재현할 수 있는 장기 모사체를 구현할 수 있어 재생의학이나 신약 개발에 사용되는 차세대 기술입니다. 특히 인간 질병의 발생 기작을 이해하기 위한 인체 질병 모델로, 그리고 이를 기반으로 한 새로운 질병 치료법 개발을 위한 플랫폼으로의 응용 가능성이 매우 높습니다. 하지만 현존하는 오가노이드는 대부분의 경우 인체 장기의 성숙한 구조를 정확히 모사하지 못하고, 특히 조직 내의 다양한 세포 및 세포상호작용을 반영하지 못하는 한계점이 존재합니다. 이런 이유로 암질환이나 기타 복잡한 난치성 질환들의 모델링에는 근본적인 한계가 존재합니다.

본 연구팀은 지난해 Nature (Kim et al., Nature 2020)에 발표한 연구논문을 통해, 기존의 오가노이드의 한계점을 초월한 신개념의 오가노이드인 조립형 미니장기 ‘어셈블로이드 (assembloids)’의 구현 가능성을 제시하고, 어셈블로이드를 기반으로 한 미래형 환자 맞춤 체외 인간 장기 구축 및 차세대 난치성 질환 모델 및 새로운 치료법 개발의 새로운 패러다임을 제시하였습니다. 구축된 어셈블로이드는 조직 내의 줄기세포와 인간 장기 내에 존재하는 다양한 세포들의 재구성 (reconstitution)을 통해 상피세포, 기질세포, 근육 및 면역세포로 이루어진 조직화된 인체유사장기로서 장기손상에 따른 조직의 재생반응을 인체내에서와 동일하게 모사합니다. 또한 암환자로부터 유래된 암세포를 기반으로 한 환자 맞춤형 종양 어셈블로이드는, 기존의 종양 오가노이드보다 인간 종양의 병리학적 특징을 완벽히 모사합니다. 위의 연구를 통해 유전자 조작 및 암세포의 조립이 가능한 종양 어셈블로이드 플랫폼을 이용하여, 종양 주변 환경으로부터 발생한 신호가 종양세포의 유동성을 결정하는 생리학적 작용 원리 및 종양세포와 기질세포의 신호전달 피드백이 암세포의 가소성을 조절하는데 중요하다는 메카니즘을 규명하였습니다.

본 연구과제에서는 개발된 어셈블로이드 플랫폼을 기반으로 인체의 여러 난치성 질환, 특히 암질환과 발달성/퇴행성 뇌질환을 모델링하고, 이를 기반으로한 난치성 질환의 발생 기작을 이해하고, 더나아가 이들 질환의 새로운 치료법을 개발하려고 합니다. 특히, 여러개의 어셈블로이드를 연결하는 하이브리드 어셈블로이드 (hybrid assembloids)의 구축을 통해, 인체 장기사이의 복잡한 상호작용이 질병발생에 미치는 영향을 규명하려고 합니다. 본 연구과제의 성공을 통해 암이나 조현병, 치매등의 난치성 질환들을 치료할 수 있는 환자 맞춤형 질환치료제 개발을 이루고, 더 나아가 다양한 인체질환의 치료를 위한 궁극적인 신약개발 패러다임의 혁신을 기대합니다.