배규운 숙명여자대학교 약학대학 교수.
태아의 심장은 직선 형태의 심장관이 길어지고 구부러지는 과정을 거친다. 이때 정맥극에서 동방결절 유사 세포·심방·심실·동맥극으로 이어지는 축이 형성된다. 연구팀에 따르면 기존 심장 오가노이드는 주로 구형 구조여서 이런 형태 변화와 구조적 축 형성을 재현하는 데 한계가 있었다.
연구팀은 외부 분화 신호를 줄이고 줄기세포의 자가조직화 능력을 활용하는 ‘허용적 배양법’을 적용했다. 이를 통해 인간 유도만능줄기세포(hiPSC)로 실제 초기 심장처럼 스스로 길어지고 구부러지는 3차원 오가노이드를 만들었다.
EHO에는 정맥동 유사 세포와 심방·심실 세포가 정맥-동맥 축을 따라 배치됐다. 정맥극에서 심실 방향으로 이어지는 수축 파동과 칼슘 이온 이동도 나타나 심장의 전기생리학적 특성을 모사했다.
단일세포 유전체 분석과 궤적 추적 분석을 통해 정맥극에 있는 증식성 세포에서 심장 세포가 지속적으로 공급되면서 오가노이드가 길어지는 과정도 확인했다. 선천성 심장 질환 관련 유전자 ‘TBX5’를 결손시킨 EHO에서는 신장과 구부러짐이 억제되고 불규칙한 수축이 나타났다.
이번 연구는 인간 심장의 초기 발생 과정과 선천성 심장 기형의 원인을 유전적·환경적 측면에서 분석할 수 있는 인체 모사 시스템을 구축했다는 데 의미가 있다. 애니머스큐어는 EHO 기술을 선천성 심장 질환 모델링과 심장 독성 평가, 심혈관계 신약 후보물질 스크리닝 플랫폼 등에 활용할 계획이다.
배규운 숙명여자대학교 교수는 “줄기세포의 자가조직화 능력을 이용해 초기 심장의 입체적 형태와 축 조직화를 체외에서 재현했다”며 “선천성 심장 질환의 발병 기전 연구와 오가노이드 기반 신약 개발에 활용할 수 있을 것”이라고 말했다.