최상필 한국원자력의학원 박사와 정재민 서울여대 교수팀은 인간 유도만능줄기세포(human Induced Pluripotent Stem Cells, hiPSC, 역분화줄기세포)로부터 인간 골수 오가노이드(human Bone Marrow Organoid, hBMO)를 개발해 방사선에 의한 조혈세포 손상 및 복구 과정을 정밀하게 재현하는데 성공했다고 21일 밝혔다.

인간 유도만능줄기세포는 분화된 인간의 체세포(피부세포, 혈액세포 등)를 역분화시켜 배아줄기세포처럼 모든 세포로 분화할 수 있는 능력을 갖도록 만든 세포를 말한다. 인간 골수 오가노이드는 인체 줄기세포를 3차원적으로 배양하여 만든 ‘미니 골수’ 모델로서 실제 사람의 골수 조직이 가지고 있는 복잡한 구조와 기능을 시험관내에서 최대한 유사하게 모방해 구축한 것이다.

이번 연구는 방사선 노출로 발생하는 조혈 급성 방사선증후군(Hematopoietic Acute Radiation Syndrome, H-ARS)의 병리 과정을 인간 골수 오가노이드 수준에서 구현한 최초의 모델로, 향후 방사선 치료 부작용 및 골수 손상 신약 개발의 핵심 기반 기술로 활용될 전망이다.

조혈 급성방사선증후군(H-ARS)의 치료는 현재 조혈 성장인자(G-CSF) 투여에 의존하고 있으나, 손상된 골수 미세환경을 완전히 회복시키는 데 한계가 있다. 기존 연구는 주로 동물모델에 의존해 왔지만, 사람의 조혈 미세환경과 생리적 차이로 인해 연구결과의 임상 적용이 제한적이었다. 이에 따라 인체 골수의 복잡한 구조와 세포 구성을 모사하는 인체 기반 연구모델의 필요성이 꾸준히 제기되어 왔다.

H-ARS는 고선량 방사선(약 0.7~10Gy)에 노출될 경우 조혈 줄기세포가 급격히 파괴돼 골수 기능이 정지하고 감염과 출혈로 이어지는 질환이다.

연구팀은 인간 유도만능줄기세포를 혈관내피세포, 기질세포, 조혈줄기세포 등으로 분화시켜 3차원 인간 골수 오가노이드를 제작하고, 방사선에 의한 조혈세포의 손상과 복원 과정을 구현하여 실제 골수와 유사한 조혈환경이 성공적으로 재현됐음을 확인했다.

연구팀은 인간 골수 오가노이드에 감마선 3, 6, 9Gy(그레이)를 조사한 결과, 방사선량에 비례한 조혈세포 감소, 미세환경 구조의 붕괴, DNA 손상 및 세포사멸 등이 뚜렷하게 나타나는 것을 확인했다.

또 전신 방사선 3Gy(그레이)를 받은 면역결핍 실험 쥐에 개발된 인간 골수 오가노이드를 이식하자 이식 후 50일까지 생존율이 약 70% 향상됐으며, 숙주 골수 내에 인간 면역세포의 성공적인 생착이 관찰됐다. 

또 단일세포 RNA 시퀀싱 분석을 통해 이식된 오가노이드 내에 혈관내피세포, 기질세포, 조혈줄기세포 등 다양한 세포군이 정교하게 형성돼 실제 골수 환경과 유사한 조혈 환경이 재현되었음을 명확히 확인했다.

이번 연구는 인간 유도만능줄기세포로 제작한 골수 오가노이드가 방사선 조혈 손상 연구와 치료제 개발을 동시에 수행할 수 있는 인체 기반 플랫폼임을 입증했다. 복잡한 조혈환경의 구조적·기능적 특성을 오가노이드 수준에서 재현해 인체 실험이 어려운 방사선 생체반응을 정량적으로 분석할 수 있는 연구 기반을 마련했다는 데 의의가 있다.

연구 성과는 국제 학술지 ‘바이오머터리얼즈(Biomaterials)’ 최신호에 ‘Human bone marrow niche organoids for disease modeling and therapeutic application in hematopoietic syndrome’이란 논문으로 게재됐다. 박희빈(제1저자), 유인선(제1저자), 김태진(제1저자), 장효선, 김한별, 이승범, 유기천, 심세환, 최상필(교신저자), 정재민(교신저자)) 등이 연구자로 참여했다.  최상필 한국원자력의학원 박사(오른쪽), 정재민 서울여대 교수

연구팀은 “이번 연구 성과가 정부의 방사선·바이오 융합 성과 창출 전략에 부합돼 기존 동물실험 대비 방사선 손상 및 재생 관련 신약개발 과정의 효율성을 획기적으로 높이는 발판이 될 것”이라며 “정밀의료와 재생의학 분야의 혁신을 앞당기는 핵심 동력이 되기를 기대한다”고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부의 한국원자력의학원 ‘첨단 의과학기술 M.D.-Ph.D. 브릿지연구 활성화 사업’과 ‘유전체 교정 연구사업’, 서울여대 ‘교내 연구지원사업’, 한국연구재단 ‘기초연구사업’의 지원으로 수행됐다.