▲태반은 모체와 배아를 연결한다(출처=123RF)

많은 의사와 의과대학 학생들, 연구자는 3D 장기 프린팅 기법과 관련된 여러 의료 수술을 통해 인체 장기와 관련된 질병의 특성과 임상적 증상에 관한 연구를 할 수 있게 됐다. 여기에는 삶과 탄생을 관장하는 장기, 즉 태반도 포함된다.

3D 장기 모델

태반은 모체와 배아를 연결하는 장기다. 태반의 주요 기능은 영양소와 가스, 대사 산물의 교환과 배아 발달에 중요한 호르몬 및 여러 물질 생성과 관련이 있다.

태반의 기능 이상은 임신 합병증의 주요 원인 중 하나며 때로 유산으로 이어질 수도 있다. 그 외에도, 산모와 아이 모두에게 위험한 중증의 증상을 유발할 수 있다. 이제까지 이러한 태반 장애에 대한 메커니즘은 알려진 바가 없다.

그리고 지금까지도 신뢰할만한 인간 세포 배양 모델 시스템이 존재하지 않는다. 하지만 최근에 빈의과대학 연구팀이 인간 태반 3D 모델을 성공적으로 개발했다.

이 최초의 인간 태반 오가노이드(organoid) ‘체내’ 모델은 메드유니 비엔나와 ‘해부학 및 세포생물학 센터(Center for Anatomy and Cell Biology)’ 연구팀이 공동 개발했다.

마틴 뇌플러 연구원은 "지난 몇 년에 걸쳐, 인간의 여러 장기를 본떠 오가노이드라는 3D 조직 배양 모델을 만들었다"며 "대부분의 경우, 이 오가노이드는 여러 조직의 세포 유형 몇 개로 구성되어 본래 장기보다 구조가 훨씬 단순하다"고 설명했다. 빈의과대학 연구팀은 태반영양막(배아기에 모체의 태반을 구성하는 배반포의 외형을 형성하는 세포) 세포군을 사용해 태반의 오가노이드 모델을 개발했다.

뇌플러 연구원은 “혈관이나 연결 조직이 없는 순수한 오가노이드인 이 모델은 페트리 접시에서 특수한 영양막 태반 조직을 반영한 것”이라고 말했다. 배양 조건을 최적화한 이 방법은 이미 다른 조직의 오가노이드 모델에서도 성공적으로 적용시켰다.

이번 연구는 자기 재생이 가능한 인간 태반을 성공적으로 만든 최초의 사례로, 시간이 흘러도 줄기세포가 새로운 조직을 계속 만들 수 있다는 것을 의미한다. 이전 태반 모델과는 다른 이 오가노이드는 영양세포를 통해 인간 태반의 3D 구조를 복제한 것이다.

마틴 뇌플러 박사는 "이전에는 이용할 수 있는 인간 태반용 오가노이드 시스템이 없었다"며 "과거에는 준비해둔 기본적인 영양세포가 일주일도 살지 못했다"고 말했다.

이 태반 오가노이드의 중요한 장점은 줄기세포와 간세포가 들어있기 때문에 자기 조직 및 자기 재생이 가능하며 지속적으로 성장하는 것이라고 연구팀은 강조했다. 게다가, 이 3D 구조는 인간 영양세포 개체에서 중요한 세 가지 세포 유형을 가지고 있다.

빈의과대학 연구팀은 영양세포 오가노이드의 자기 재생 및 분화에서 윈트 신호전달계(WNT signaling pathway, 수많은 조직의 발달 및 성장에 중요한 작용을 함) 기능을 입증하는 연구를 통해 이 모델을 성공적으로 개발할 수 있었다. 오가노이드 모델 시스템은 조작이 가능해 태반에 관한 추가 연구의 가능성을 열었다.

“최근까지 사용할 수 있는 자기재생 세포 배양 모델 시스템은 존재하지 않아 태반 기능 이상의 원인을 연구하는 것이 힘들었었다. 그러나 태반 오가노이드 시스템 개발을 통해 위험한 생식계 질병에 대한 의약품 개발과 후속 치료가 가능해져 현 상황을 현저하게 개선할 수 있게 됐다”고 뇌플러 박사는 말했다.

▲셰게적으로 신생아 10명 중 한 명 이상의 비율로 조기 출산되고 있다(출처=123RF)

조산아 사망

세계보건기구(WHO)에 따르면, 세계적으로 신생아 10명 중 한 명 이상 비율로 달을 덜 채우고 태어나고 있다. 이에 과학자들은 그 이유를 설명할 수 있는 ‘생체 장기 모사칩(organ-on-a-chip)’을 개발했다. 이 기기는 태반의 기능을 종합적으로 모방할 수 있어 조산을 예방할 수 있는 새로운 방법을 만들어냈다. 그리고 박테리아 감염이 조산을 어떻게 유도하는지 이해할 수 있게 됐다.

박테리아 감염은 조산을 유도하고 태반 또는 모체와 태아 간의 영양소 및 기타 물질 흐름을 조절하는 태반 막에 염증을 유발할 수 있다. 그 결과, 양막낭이 파열되어 조기 분만으로 이어지는 것이다.

하지만 임신부를 대상으로 한 임상시험은 실현 가능성이 없고 출산 후 기증받은 태반은 보통 생존율이 짧기 때문에 이 문제는 거의 폐기되다시피 됐다. 그러나 연구팀이 최근 개발한 인공태반 칩으로 태반 세포가 정상적인 인체 내에서처럼 동일하게 성장하고 기능할 수 있게 만들 수 있게 됐다. 지안후아 친 박사와 동료 연구진은 태반 막의 기능을 정확하게 모방하고 여러 박테리아 감염에 대처할 수 있는 인체와 유사한 기기를 개발했다.

그리고 탯줄 정맥에서 인간 영양세포 (모체의 세포)와 내피세포 (태아의 세포)를 채취해 3중으로 된 미세유체기기의 양 면에 이식했다. 그 후 다공성 막이 태반 벽을 만들어 조직들이 두 세포 층 사이를 연결하게 했다.

연구팀은 모체 층에 대장균 박테리아를 추가하여 태반 벽에 빠르게 확산하게 만들고 그 후 모체 및 태아 층에 염증 및 세포사를 유도했다. 그리고 인공 태반벽 칩으로 인간 태반에서의 염증성 반응을 설명하고 감염으로 유발되는 조기 출산 예방법을 개발할 수 있었다.

▲태반은 태아에게 필요한 영양분과 호르몬을 공급한다. (출처=123RF)

인공 태반벽 칩

조기 분만 및 신생아 사망률의 원인으로 알려진 태반 염증은 상당한 범위의 태반에 영향을 미치고 있으며 미생물로 인해 손상을 입는 것이다. 이 염증성 과정은 매우 복잡하며 염증성 시토킨 수치 증가 및 선천 면역 활성화와 밀접한 관련이 있었다. 인간 태반벽 칩을 사용한 미세 조정 모델을 사용해 박테리아 감염과 관련 있는 염증성 반응을 조사했다. 다중층으로 된 디자인은 태반의 태아-모체 인터페이스의 미세한 구조를 모방했으며 모체의 역동적 환경을 닮았다. 급성 태반 염증을 유도하기 위해 태아 장기에서 가장 많이 발견되는 유기체 중 하나인 대장균을 적용했다. 그리고 연구 데이터를 통해 박테리아 감염 후 영양세포 및 모체 대식세포로 인한 염증성 시토킨 분비 증가를 포함한 복잡한 반응을 증명할 수 있었다. 특히, 두 개의 태반 세포 사이에서 태반 경유 작용 및 태아 염증 반응 증후군에서의 영양세포의 잠재적인 기능을 관찰할 수 있었다. 이러한 복잡한 반응은 태반의 기능 이상과 비정상적인 태아 발달, 조산과 상당한 관련이 있었다. 연구 결과, 태반벽 칩은 태반에서의 복잡한 염증 반응과 기본적인 생식계 질병의 메커니즘 연구에 사용할 수 있다는 사실을 확인했다.

임신 합병증 예방하기

인간의 태반은 건강한 임신 기간을 유지하는 데 중요한 역할을 하며, 태아가 성장하는 데 필요로 하는 영양분과 호르몬을 공급하고 박테리아 감염으로부터 보호하는 기능을 한다.

이 3D 모델과 관련된 기술은 임상전 치료제 효능 테스트에 사용할 수 있다. 그리고 잠재적으로 해로울 수 있는 임신 치료법을 확인하는 데에도 사용할 수 있다.

“임신 중 걸릴 수 있는 질환에서 각기 다른 기능을 가지고 있는 특정한 영양세포 아형이 어떤 기능을 하고 있는지 이해하는 것이 중요하다”고 뇌플러 박사는 말했다.

전체 장기를 만들 수 있는 3D 조직 배양법을 사용하는 것이 바이오기술에서 하나의 트렌드가 되고 있다. 이 방법은 건강한 장기와 병 든 장기 기능을 연구하는 데 효과적인 도구이기 때문이다. 예를 들어, 오스트리아의 한 연구팀은 뇌암의 발병 및 진행을 모방하는 초소형 두뇌를 개발하고 있다. 그리고 독일의 바이오테크 기업 미메타스(MIMETAS)는 3D 프린틴 기술을 사용해 다양한 인간 장기에서 3D 조직을 배양하고 있다.

하지만 다른 장기에 비해 태반 오가노이드의 개발을 아직 초기 단계다. 뇌플러 박사는 "더욱 정교한 인간 태반의 3D 오가노이드 개발을 위해 추가 연구가 필요하다"고 강조했다