오가노이드 배양에 필요한 ECM이란?
#limitation of 2D culture
2D 배양의 경우, 실제 조직을 모사했다기에는 무리가 있다. 아무래도 실제 조직은 3차원 구조로 이루어져 있기 때문이다.
인체 내 세포는 extracellular matrix(ECM)와 주변 세포들 사이에서 3차원 구조를 이루며 살아간다. 세포는 주변 환경으로부터 지속적으로 물리적·화학적 신호를 받으며, 이러한 상호작용은 세포의 분화(differentiation), 이동(migration), 증식(proliferation) 등에 영향을 미친다.
반면 2D culture에서는 세포가 단층(monolayer) 형태로 자라기 때문에 실제 조직에서 나타나는 구조적 특징과 미세 환경(microenvironment)을 완전히 재현하기 어렵다. 이로 인해 약물 반응이나 유전자 발현 양상이 실제 인체와 다르게 나타날 수 있으며, 이는 기존 세포 배양의 한계점 중 하나로 여겨진다.
#ECM?
organoid는 배양함에 있어 ECM(Extracellular Matrix)이라는 적절한 환경이 필요하다.
세포가 3D로 자라기 위해서 필요한 cell-cell interaction, self-organization 등을 가능하게 해준다.
덧붙여서, ECM(Extracellular Matrix)은 말 그대로 세포 바깥에 존재하는 구조물로, 세포 주변 환경을 이루는 물질이다. 단순히 세포를 지지하는 역할만 하는 것이 아니라, 세포가 성장하고 이동하며 분화하는 과정에도 영향을 준다.
대표적인 ECM 성분으로는 collagen, laminin, fibronectin 등이 있으며, 이러한 물질들은 세포가 부착하고 신호를 주고받는 데 중요한 역할을 한다.
#Scaffold?
Scaffold란, 세포를 지지하기 위해 만들어진 구조물이다.
Scaffold는 몇 가지 types로 구성되는데, Natural ECM based-scaffold, Synthetic, 그리고 Hybrid가 있다. 여기서 Synthetic은 polymer이나 PEG와 같이 말 그대로 화학적으로 “합성”한 물질이며, Hybrid는 ‘collagen(ECM component) + PEG(synthetic)’처럼 Natural(ECM) component과 Synthetic material을 섞은 것이다.
여기서 hybrid를 사용하는 이유는 자연에는 존재하지 않는 배양환경을 만들 수 있기 때문이다.
#limitation
가장 많이 사용하는 scaffold가 Matrigel인데, 이는 Engelbreth-Holm-Swarm(EHS) mouse sarcoma 유래 물질이다. 따라서 생체 환경과 가장 유사하다는 장점을 가지나, 동시에 생물학적 유래 물질이기 때문에 batch마다 조성과 물성이 달라질 수 있으며 그 조성 또한 명확하게 알 수 없다는 단점을 가진다. growth factor, protein composition 등에서 차이가 날 수 있다. 또한 cancer 유래이기 때문에 임상에서 사용되기에는 제한이 크기도 하다.
scaffold 중, synthetic material의 경우, 사람이 직접 합성했기 때문에 단순하며 mechanism 연구에 유리하다. 그러나, 그만큼 natural ECM보다 훨씬 단순화된 구조를 가지기 때문에 실제 ECM에서 나타나는 복잡한 biological signaling을 충분히 재현하지 못할 수 있다.
>>전망
현재 organoid culture에서 가장 널리 사용되는 ECM 기반 material은 Matrigel이지만, batch variation과 조성의 불명확성, 임상 적용의 한계 등의 문제가 존재한다. 이러한 이유로 최근에는 보다 재현성이 높고 조절 가능한 synthetic ECM 및 engineered scaffold를 개발하려는 연구가 활발하게 진행되고 있다.
특히 최근에는 단순히 세포를 지지하는 구조물을 만드는 것을 넘어, 실제 생체 환경과 유사한 signaling과 mechanical property를 동시에 재현하려는 방향으로 발전하고 있다. 예를 들어 stiffness, porosity, degradation rate 등을 조절하거나 growth factor 및 adhesion motif를 추가해 세포 반응을 보다 정밀하게 유도하려는 시도가 이루어지고 있다.
향후 organoid 종류에 따라 최적의 scaffold 및 ECM 환경에 대한 이해가 더욱 발전한다면, personalized medicine의 상용화에도 긍정적인 영향을 미칠 것으로 기대된다.
*AI로 생성된 이미지입니다.
