성공적인 장 섬유화 모델 개발로 장 협착 치료기술 발전 기대
염증성 장질환시 발생하는 과도한 염증 및 항염증성 사이토카인인 TGF-β가 장 오가노이드 및 장 상피조직에 미치는 영향을 관찰했다. 이를 위해 LPS로 활성화시킨 대식세포주와 장 오가노이드를 공배양한 뒤 TGF-β를 처리해 관찰했다[A].
공배양한 장 오가노이드는 구형으로 모양이 바뀌며 여기에 TGF-β를 처리하면 섬유아세포와 유사하게 변화하고 α-SMA과 Vimentin과 같은 fibrosis마커가 발현함을 확인했다[C-F].
(A) LPS로 활성화된 대식세포와 장 오가노이드를 co-culture하고 여기에 TGF-β를 처리함으로써 염증성 장질환과 유사한 환경에 장 오가노이드를 노출시켰다.
(B) 장 오가노이드 배양배지에서 TNF-α의 양을 ELISA로 측정한 결과
(C) 처리군별 장 오가노이드 변화에 대한 광학 현미경 관찰 결과
(D) fibrosis 마커인 α-SMA와 세포분열 마커인 Ki67로 면역형광염색 결과
(E) α-SMA와 Ki67면역형광염색에 대한 정량화 결과
(F) fibrosis 마커인 Vimentin과 Phalloidin 면역형광염색 결과
염증성 장질환 발병시 장 조직에는 TNF-α와 TGF-β가 모두 상승해 있는 경우가 흔하다. 따라서 두 사이토카인에 동시에 장 오가노이드가 노출됐을 때 나타나는 변화를 관찰한 결과 장 오가노이드가 섬유아세포와 유사한 형태로 변화함을 관찰할 수 있었으며 Vimentin과 α-SMA를 발현했다[A-D].
이러한 효과가 TGF-β에 먼저 노출된 후 TNF-α에 노출됐을 때도 나타나는지 확인해 본 결과 섬유아세포 유사 세포 출현 빈도가 크게 낮아졌다[E-G].
(A) TNF-α와 TGF-β에 순차적으로 장 오가노이드가 노출된 후 형태 변화 관찰
(B) Vimentin, α-SMA, Ki67에 대한 면역형광 염색 및 (C,D) 이에 대한 정량화
(E) TGF-β에 먼저 노출된 후 TNF-α에 노출됐을 때 나타나는 장 오가노이드의 변화
(F) α-SMA, Ki67에 대한 면역형광 염색 및 (G) 이에 대한 정량화
장 오가노이드가 섬유아세포 유사 세포로 변화하는 기전을 확인하기 위해 NF-kB, ERK, P38 pathway inhibitor를 각각 처리해 변화를 관찰했다. 특히, NF-kB inhibitor인 QNZ를 처리했을 경우 섬유아세포로의 변화가 완전히 차단됐다[A-C].
TNF-α와 TGF-β에 의해 장 오가노이드의 어떠한 유전자 발현이 섬유아세포로 변화에 중요한지 확인하기 위해 TNF-α와 TGF-β 및 inhibitor처리 후 나타나는 유전자 변화를 관찰했다[E-F].
(A) ERK, P38, NF-kB inhibitor로 처리한 후 섬유아세포 변화 여부에 대한 형태 관찰
(B) α-SMA, Ki67에 대한 면역형광 염색 및 (C) 이에 대한 정량화
(E) TNF-α 및 inhibitor 처리 후 섬유아세포 변화와 관련된 전사인자에 대한 발현 변화
(F) TNF-α 및 inhibitor 처리 후 섬유화관련 유전자 발현 변화
한국보건산업진흥원(원장 이영찬)은 차의과학대학교 유종만 교수 연구팀이 3차원 미니 장기(organ)를 이용해 장 섬유화의 발생기전을 규명하고, 장 협착 치료제 발굴 플랫폼을 구축했다고 밝혔다.
최근 국내에서도 염증성 장질환 환자수가 급증해 5만 여명에 이르며, 상당수의 환자는 적절한 치료를 받더라도 장 협착이 발생해 장 절제 수술을 반복해서 받아야 하는 고통에 처하고 있다.
본 연구는 크론병 등의 염증성 장질환 환자에서 발생하는 장 섬유화와 이에 따른 장협착의 원인 규명과 치료제 개발을 위해 진행됐다.
연구를 위해서는 실제 장기와 유사한 실험모델이 필요한데, 적절한 동물 및 세포 모델이 없는 상황에서 이를 해결하고자 장기와 유사한 3차원 미니 장기(mini-organ)를 만들었다.
이 3차원 미니 장기는 유사 장기 또는 오가노이드(organoid)라고도 불리며, 줄기세포를 3차원적으로 배양해 만든 것으로 현재 과학계에서 매우 주목받는 신기술이다.
아직까지 효과적인 방지책이 없는 장 섬유화의 근본 원인을 밝히고 치료제 개발로 나아가기 위해서는 쉽고 정확하게 실험에 사용할 수 있는 질환모델이 개발되는 것이 매우 중요하다.
이번 성과는 장 협착 치료제 개발을 촉진시킬 중요한 교두보를 확보한 데 의미가 있다.
연구책임자인 유종만 교수는 “이번 연구를 통해 유사장기가 질환 발생 기전, 약물 효능 분석, 치료제 개발 등에 활용할 수 있는 훌륭한 도구임을 증명했고, 기존의 세포·동물 실험으로 할 수 없었던 연구를 가능하게 했다”고 설명했다.
이번 연구는 보건복지부・한국보건산업진흥원 질환극복기술개발사업(질병중심중개기반연구) 의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 의과학 분야 학술지인 Scientific Reports에 ‘Organoid-based epithelial to mesenchymal transition(OEMT) model : from an intestinal fibrosis perspective’, (공동제1저자) 한수정(차의과학대학교), 남명옥(차의과학대학교), (공동교신저자) 유종만(차의과학대학교), 유준환(차의과학대학교) 등으로 게재됐다.