생명환경공학과 김은미 교수 연구팀, 

세포 스트레스 실시간 포착 ‘인간 폐 오가노이드’개발

 -화학물질·감염·의약품 안전성 검증 차세대 독성평가 플랫폼 기대

 (왼쪽부터) 김은미 교수(교신저자), 충남대 김승연 박사(제1저자)  백지원(서울여대 석사과정생), 김어진(서울여대 박사과정생)

본교 생명환경공학과 김은미 교수  연구팀이 “유전자가위 기술(CRISPR/Cas9)을 이용한 세포 내 스트레스를 실시간으로 포착할 수 있는 ‘인간 폐 오가노이드’ 모델을 개발했다

세포 내 스트레스 반응 시 생성되는 ‘생체분자 응집체(Molecular Condensate)’에 주목하고, 이 중 하나인 스트레스 과립(Stress Granule)을 실시간으로 모니터링 할 수 있는 차세대 독성평가 플랫폼 구축에 성공했다고 밝혔다.

이번 연구 성과는 Biomedical engineering 분야 및 Biomaterials 분야의 세계적인 학술지인 ‘Materials Today Bio’(IF 10.2, 상위 JCR: 6.9%)에 게재돼 학문적 우수성을 인정받았다. 

연구팀은 CRISPR/Cas9 기반 유전자 편집 기술을 활용해 인간 유도만능줄기세포의 G3BP1 유전자에 형광 리포터를 삽입하고, 스트레스 과립 형성을 형광 신호로 확인할 수 있는 ‘스트레스 리포터 세포’를 제작했다. 이후 해당 세포를 인간 폐 오가노이드로 분화시켜, 폐세포가 외부 자극에 의해 스트레스를 인지하는 초기 반응을 형광 신호로 실시간 관찰·정량화할 수 있는 플랫폼을 구축했다. 이를 통해 세포 손상이 본격적으로 나타나기 이전 단계에서 발생하는 미세한 스트레스 반응을 포착함으로써 독성 여부를 빠르고 정밀하게 평가할 수 있는 새로운 분석 기술을 개발했다.

이번 연구는 생체분자 응집체 기반 스트레스 감지 기술, 유전자 편집 기술, 그리고 인간 줄기세포 유래 오가노이드 플랫폼을 융합해 생체 시료를 파괴하지 않고 인간 조직 수준의 생리적 반응을 실시간으로 분석할 수 있는 시스템을 구현했다는 점에서 학술적 의의가 크다. 

특히 실험동물을 대체할 수 있는 오가노이드 모델을 활용해 인간 조직 환경에서 독성 반응을 실시간으로 관찰·분석할 수 있다는 점에서, 차세대 독성 평가법인 NAMs(New Approach Methodologies) 개발을 위한 핵심 기술적 기반을 마련했다.

김은미 교수는 “이번 연구에서 개발한 스트레스 리포터 기반 오가노이드 플랫폼을 바탕으로, 향후 화학물질과 환경 유해인자, 바이러스·세균 감염, 의약품 안전성 검증 등 다양한 분야에서 정밀 독성 평가와 작용 기전 연구가 가능한 인간 기반 연구 플랫폼으로 확장해 나갈 계획”이라고 밝혔다.

본 연구는 김승연 박사(제1저자), 서울여대 백지원 석사과정생, 김어진 박사과정생이 공동저자로 참여했다.

이번 연구는 한국환경산업기술원의 생활화학제품 안전관리 기술개발 사업, 한국연구재단, 서울여자대학교의 지원을 받아 수행됐다.

논문 제목 : CRISPR-engineered human lung organoids with a biomolecular condensate reporter enable mechanistic toxicity monitoring