Influence of mesenchymal and biophysical components on distal lung organoid differentiation - 폐 오가노이드 분화에서 기질세포와 기계적 자극의 역할

12분전 작성된 글 2025. 4. 8.

본 논문은 인간 만능줄기세포(hPSC)로부터 유도된 폐 오가노이드에서 폐포 2형 상피세포(AEC2)의 분화를 향상시키기 위한 생물학적 및 물리적 요인을 탐색한 연구입니다. 조기 출생아에게 흔한 만성 폐 질환인 기관지폐형성이상(BPD)은 효과적인 치료법이 없고, 이에 따라 질병 기전을 규명하고 치료 물질을 탐색할 수 있는 생리학적 모델의 필요성이 커지고 있습니다. 연구진은 폐 발달 과정에서 중요한 역할을 하는 간엽세포(기질세포)와 태아 호흡 운동을 모사한 주기적 기계적 신호가 폐 오가노이드 내 AEC2의 분화에 어떤 영향을 미치는지를 다각도로 실험하였습니다. 그 결과, 기질세포의 존재와 기계적 자극이 각각 또는 동시에 AEC2의 분화를 유의미하게 촉진함을 확인했습니다. 이 연구는 폐 질환 모델의 정밀도 향상과 신약 개발 플랫폼 구축에 기여할 수 있는 중요한 기초 자료를 제공합니다.

연구 배경 및 중요성

기관지폐형성이상(BPD)은 미숙아에서 흔하게 발생하는 폐 질환으로, 효과적인 치료제가 아직 존재하지 않습니다. 인간 만능줄기세포(hPSC)로부터 유도한 폐포 오가노이드는 이러한 질병을 모델링하고 신약을 검증할 수 있는 전임상 플랫폼으로 주목받고 있습니다. 그러나 기존의 오가노이드 유도 방법은 실제 폐의 말단 부위(niche) 환경을 충분히 반영하지 못해 분화 효율이 낮거나 결과의 일관성이 부족하다는 한계가 있었습니다. 폐 발달 과정에서는 간엽세포와 기계적 자극(태아 호흡운동 등)이 중요한 조절자로 알려져 있으며, 이를 오가노이드 유도 과정에 통합함으로써 보다 생리학적인 조직 모델을 구현하고자 한 것이 본 연구의 의의입니다.

연구 목적 및 배경

본 연구의 주요 목적은 두 가지입니다. 첫째, 인간 만능줄기세포로부터 유도된 폐포 오가노이드 내에서 간엽세포의 존재가 AEC2 분화에 미치는 영향을 확인하는 것, 둘째, 주기적 기계적 자극(태아 호흡운동 모사)이 오가노이드의 분화에 어떤 영향을 미치는지를 규명하는 것입니다. 이로써 실제 폐의 생리적 환경을 보다 충실히 반영한 오가노이드 분화 모델을 확립하고자 하였습니다.

연구 방법

hPSC를 2D 배양 후 폐 전구세포(NKX2-1+)로 유도
CPM+ sorting을 통해 폐 전구세포 정제
오가노이드를 3D 매트리젤 배양으로 형성
간엽세포(hELF)와의 직접 및 간접 공배양
FlexCell 시스템을 이용한 주기적 기계적 신호(5% 신장, 1Hz, 15분 ON/45분 OFF)
유세포 분석, 면역형광, qPCR을 통한 세포 마커 평가 (HT2-280, SFTPB, SFTPC 등)

오가노이드는 50~80% 농도의 매트리젤에서 배양되었으며, 간엽세포는 방사선으로 증식을 억제한 상태로 co-culture에 활용되었습니다. AEC2 분화 여부는 HT2-280, SFTPC 발현을 중심으로 다각적인 기법을 통해 정량 평가되었습니다.

주요 발견 및 결과

연구 결과, 간엽세포가 존재할 경우 AEC2 마커(HT2-280+, SFTPC)의 발현이 유의미하게 증가하였으며, 이는 직접 접촉 없이도 간엽세포의 분비 인자에 의해 유도되는 것으로 나타났습니다. 또한, 주기적인 기계적 자극 역시 AEC2 분화를 촉진하였으며, proximal 계통으로의 분화에는 영향을 미치지 않았습니다. 특히 CPM+ sorting을 통해 간엽세포가 제거된 오가노이드에서는 AEC2 유도가 감소하는 양상을 보여, 간엽세포의 존재가 폐포 분화에 중요한 요소임을 시사했습니다.

실험 결과 요약

조건	AEC2 (HT2-280+) 비율	주요 변화
간엽세포 있음 (co-culture)	20–30%	AEC2 분화 증가
CPM+ sorting (간엽세포 제거)	7–10%	AEC2 분화 감소
기계적 자극 (FlexCell 시스템)	HT2-280+, SFTPC 증가	세포 증식 변화 없음

이러한 결과는 간엽세포와 물리적 자극이 독립적이고 상호 보완적으로 AEC2 분화를 촉진할 수 있음을 보여줍니다.

한계점 및 향후 연구 방향

본 연구는 HT2-280 단일 마커에 의존하여 AEC2를 정의했다는 점, 그리고 단일 시간대에 기계적 자극을 일정한 패턴으로만 적용했다는 점에서 제한점이 있습니다. 향후에는 단일세포 전사체 분석, lamellar body의 형성 여부 관찰, 다양한 기계적 자극 패턴 실험이 필요하며, AEC1과의 동시 분화 조절에 대한 연구도 함께 진행되어야 합니다.

결론

간엽세포와 기계적 자극은 hPSC 유래 폐포 오가노이드에서 AEC2 분화를 촉진하는 데 결정적인 요소임이 확인되었습니다. 이는 보다 생리학적이고 정밀한 폐 질환 모델 개발을 위한 중요한 기반이 되며, 특히 미숙아 폐 질환(BPD) 연구 및 신약 개발 플랫폼으로서 오가노이드 기술의 발전에 기여할 수 있을 것입니다.

개인적인 생각

폐포 오가노이드 연구는 기술적 난도가 높고, 아직까지 완전한 in vivo 모사를 달성하지 못한 분야입니다. 본 논문은 그 한계를 극복하고자 간엽세포와 기계적 자극이라는 생리학적 요소를 도입한 점에서 매우 인상 깊었습니다. 특히, 단순히 세포를 분화시키는 데 그치지 않고, 실제 폐 발달에서 중요하게 작용하는 요소들을 실험적으로 통합함으로써 오가노이드의 복잡성과 생리적 유사성을 향상시켰다는 점이 탁월했습니다. 향후 이 기술이 BPD를 포함한 다양한 폐 질환의 약물 테스트나 세포 치료 모델로 확대되기를 기대합니다.

자주 묻는 질문(QnA)

Q1. HT2-280은 어떤 세포를 의미하나요?
A1. HT2-280은 인간 폐포 2형 상피세포(AEC2)의 표면 마커로 사용되는 항체입니다.

Q2. 간엽세포는 왜 중요한가요?
A2. 간엽세포는 폐 상피세포의 분화와 성장에 필수적인 신호를 분비하며, AEC2 분화를 촉진합니다.

Q3. 기계적 자극은 어떻게 가해졌나요?
A3. FlexCell 시스템을 이용하여 5% 신장, 1Hz 주기로 15분 ON / 45분 OFF의 패턴으로 21일간 자극하였습니다.

Q4. CPM sorting은 어떤 역할을 했나요?
A4. CPM+ 세포는 폐 전구세포로 분류되며, sorting을 통해 순도를 높일 수 있지만 간엽세포가 제거되는 부작용이 있습니다.

Q5. proximal epithelial marker는 어떤 것이 사용되었나요?
A5. FOXJ1, MUC5AC, SCGB1A1 등이 proximal 계통 마커로 분석되었습니다.

Q6. 이 연구가 BPD 치료에 어떻게 기여하나요?
A6. 보다 정밀한 폐 오가노이드를 통해 BPD 병인 기전을 규명하고 신약을 개발할 수 있는 플랫폼을 제공합니다.

용어 설명

hPSC: 인간 만능줄기세포, ESC 또는 iPSC로부터 유래
AEC2: 폐포 2형 상피세포, 서팩턴트 분비 및 폐포 유지에 관여
NKX2-1: 폐 전구세포의 마커로 사용되는 핵심 전사인자
CPM: Carboxypeptidase M, 폐 전구세포 표면에 존재하는 효소
HT2-280: AEC2 표면 항체, flow cytometry 분석에 사용됨
FlexCell: 세포에 기계적 자극을 줄 수 있는 장비 시스템
VIM: Vimentin, 간엽세포의 대표적인 마커
SCGB1A1: club cell 마커, proximal airway 세포에서 발현
SFTPC: 서팩턴트 단백질 C, AEC2의 기능적 마커
Transwell: 상하 분리 배양을 위한 co-culture 장치