신약개발을 위한 고성능 ‘인간 소장 상피 모델’ 개발
- 인간 소장에 상응하는 약물 흡수·대사 평가를 위한 소장 상피 모델 세계 최초 개발
- 3차원 장 오가노이드 전환기술 개발을 통한 인체반응 예측률 향상에 기여
□ 한국생명공학연구원(원장 김장성, 이하 생명연) 국내연구진은 인간 전분화능줄기세포* 유래 인간 소장 상피 모델(Small intestinal epithelium model)을 세계 최초로 개발하였다. 인간 소장 상피 제작 기술은 2차원 직접 분화 또는 3차원 오가노이드에서 2차원 소장 상피 세포로 전환이 가능하여 활용성이 높다. 또한 인체의 장과 유사한 세포 다양성과 기능성을 가져, 소장에서의 약물 흡수 및 대사 평가가 가능한 플랫폼 기술로써 향후 신약개발에 큰 기여를 할 것으로 기대된다.
* 전분화능줄기세포 : 인간의 몸을 구성하는 다양한 세포로 분화할 수 있는 능력을 가진 세포로서, 배아줄기세포(embryonic stem cell)와 역분화줄기세포(induced pluripotent stem cell)가 이에 해당됨
ㅇ 생명연 손미영 박사팀(교신저자: 손미영/김장환/정초록 박사, 제1저자: 권오만 박사/정광보 UST통합과정6년차/이경륜 박사)이 수행한 이번 연구는 결과는 미국과학진흥회(AAAS)에서 발행하는 종합과학 분야의 세계적 권위지인 사이언스 어드밴시즈(Science Advances)지에 6월 2일자에 게재되었다.
- 논문명 : The development of a functional human small intestinal epithelium model for drug absorption (첨부파일 참조)
□ 연구팀은 인간 전분화능줄기세포의 직접 분화 혹은 3차원 오가노이드 전환기술을 이용한 고성능 인간 소장 상피 모델을 개발하였다.
ㅇ 신약개발을 위해서는 약물이 우리 몸에서 순환하는 일련의 과정에 대한 분석이 중요하다. 이를 위해 후보 약물의 흡수, 분포, 대사, 배설(ADME)에 대한 약물동태 평가가 필요하다.
ㅇ 지금까지는 소장에서의 약물 흡수도를 평가하기 위해 절대표준(Gold Standard)으로 대장암 조직에서 유래한 장 세포를 사용하고 있지만, 인체 소장을 동일하게 구현하지 못하여, 소장에서 일어나는 약물의 흡수와 1차 대사를 평가하고 예측하는 것에 한계점이 있었다.
ㅇ 최근 전분화능줄기세포로부터 소장 세포로 분화시키는 기술이 보고되고 있으나, 낮은 분화도와 세포 다양성 부재로 인해 기능성이 떨어지며, 대량 증식의 어려움이 있었다.
ㅇ 생명연 손미영 박사 연구팀은 기존 문제를 극복하고, 인간 소장에 존재하는 다양한 세포 구성과 기능성 구현을 위해, 소장 상피 세포 전구체*를 이용해 대량 배양 및 동결보관이 가능하게 하였고, 새롭게 발굴한 분화인자를 이용하여 높은 수준으로 인간 소장 조직을 모사할 수 있는 고성능 소장 상피 모델 개발에 성공하였다.
* 전구체(progenitor) : 줄기세포에서 부분적으로 분화가 진행된 세포로서, 전구체 단계를 거쳐 최종적인 성숙세포로 분화됨
ㅇ 또한, 연구팀은 환자 유래 역분화줄기세포*를 이용하여 환자 맞춤형 약물 효능 평가 시스템 개발의 가능성을 검증하였으며, 3차원 장 오가노이드를 2차원 소장 상피 세포 모델로 전환할 수 있는 기술 개발을 통해 본 모델 시스템의 범용성을 확인하였다.
* 역분화줄기세포 : 피부세포와 같이 이미 분화된 체세포를 미분화 상태로 되돌리는 역분화 과정을 통해 배아줄기세포와 같이 다양한 세포로 분화할 수 있는 능력을 가지게 된 세포이며 유도만능줄기세포라고도 함
□ 본 소장 상피 모델은 소장 조직의 기능성을 높은 수준으로 재현하였고, 신약의 약물동태학적 특성, 약물의 안정성, 대사/수송적 특성 및 임상투여용량 설정 등 신약개발에 있어 광범위한 활용 가능성을 제시하였다.
□ 줄기세포융합연구센터 손미영 박사는 “본 연구팀의 고성능 인간 소장 상피 모델은 소장 조직을 모사할 수 있는 세계 최고 수준의 모델로 높은 정확도의 약물 흡수·대사 평가를 통해 신약의 효율을 나타내는 지표인 생체이용률(bioavailability)을 예측하고 약효 개선에 활용될 수 있다”며, “인체 조직 수준의 세포모델 개발, 대량화 기술 및 관련 평가법 개발은 향후 신약 개발 과정에 효과적으로 기여할 수 있고, 또한 본 연구팀이 이미 확보하고 있는 고기능성 3차원 장 오가노이드를 더욱 다양하게 활용하기 위한 기반 기술로도 기대된다”고 밝혔다.
< 그림 설명 >
- 그림 1. 인간 전분화능줄기세포 유래 맞춤형 고성능 소장 상피 분화 기술 개발
(A) 인간 전분화능줄기세포 기반 고기능성 소장 상피 세포 직접 분화 기술 모식도
(B) 환자 유래 역분화줄기세포를 이용한 고기능성 소장 상피 세포 분화 단계별 세포 형태 분석
(C) RNA sequencing 기반 소장 상피 세포 유사도 검증
(D-E) TEER(D) 및 CYP3A4 활성(E) 측정을 통한 소장 상피 기능성 검증
- 그림 2. 3차원 인간 장 오가노이드 유래 2차원 소장 상피 세포 전환 기술 개발
(A) 3차원 인간 장 오가노이드 유래 2차원 소장 상피 세포 전환 기술 모식도
(B) 분화 단계별 세포 형태 분석
(C-D) TEER(C), CYP3A4 활성(D) 측정을 통한 소장 상피 기능성 검증
(E) 주사전자현미경 분석을 통한 미세융모 구조 확인
- 그림 3. 고성능 소장 상피 세포 모델 기반 약물 흡수도 평가
(A) 대표 약물 6종의 소장 상피 흡수도 평가 모델 개발
(B) 평가 모델을 이용한 기존의 대표적 소장 상피 모델 CACO-2세포주 및 실제 인간 소장 조직과의 약물 흡수도 비교 분석
- 그림 4. 고성능 소장 상피 세포의 생물학적 활용성 검증
(A) 소장 상피 세포-면역세포 공배양을 이용한 항원(LPS)에 의한 대식세포 이동률 측정
(B) 소장 상피 세포-장내미생물(L. Plantarum) 공배양을 이용한 미생물 부착능 분석
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