김덕호 존스홉킨스대 교수 인터뷰
대뇌, 위, 심장, 침샘, 장, 폐 등 모사
미니어처 장기 활용해 전임상 효율 높여
동물 적합성 5%뿐...토탈 솔루션 제공

김덕호 존스홉킨스의대 생명공학과 교수겸 큐리바이오 창업자

‘줄기세포를 3차원으로 배양한다. 체내에 일어나는 기관 발생 과정을 체외에서 수행해, 장기모사체로 만든다.’ 오가노이드(Organoid) 프로세스다. 오가노이드는 장기인 ‘오르간(Organ)’과 유사한이란 뜻을 지닌 접미사 ‘오이드(-Oid)’의 합성어다. 바이오 산업의 판을 바꿀 ‘게임체인저’로 통한다. 작게는 머리카락 3~4개 굵기인 300~400마이크론에서 크게는 수 밀리미터 크기의 매우 작은 인공 장기인 오가노이드. 각종 바이오 실험에 투입된다. 동물을 대상으로 하는 전임상을 오가노이드로 대체할 경우 보다 빠르고 효율적인 실험을 할 수 있다.

오가노이드에선 떠오르는 글로벌 스타트업이 있다. 큐리바이오다. 김덕호 존스홉킨스의대 생명공학과 교수겸 큐리바이오 창업자는 매일경제와 인터뷰에서 궁극적 비전에 대해 “동물을 활용한 전임상 시험 전체를 오가노이드 플랫폼으로 대체하는 것”이라며 “동물 복지에도 기여하는 동시에 전임상 개발기간을 크게 단축하고 개발 비용을 크게 낮출 수 있다”고 설명했다.

오가노이드는 동물 장기를 떼어내 사람에게 이식하는 이종장기(Xenotransplantation)나 살아 있는 세포를 바이오잉크와 섞어 3D 프린팅하는 기술에 비해 진보된 테크놀로지다. 줄기세포로 부터 분화시킨 각종 세포들을 3차원으로 배양해, 체내에 일어나는 기관 발생 과정을 체외에서 유사하게 장기모사체를 만든다. 현재는 대뇌, 위, 심장, 침샘, 장, 폐 외에도 다양한 장기의 기능을 모사할 수 있다. 체내의 모든 종류의 세포로 분화할 수 있는 능력을 가진 줄기세포인 전분화능 줄기세포를 활용해 미니어처 장기를 만드는 과정은 이렇다. 조직이나 세포를 지탱해주는 스캐폴드(Scaffold)를 제작하고, 스캐폴드에 심근세포 또는 다른 유형의 장기를 형성하는 세포를 주입해 배양한다. 이후 세포 기능을 향상시키고 인체와 유사한 생리학적 반응을 구현할 수 있는지 테스트를 한다.

이렇게 만들어진 오가노이드는 의약품 테스트, 환자 맞춤형 질병 메커니즘 연구, 화학물질 독성 테스트 등에 쓰인다. 김 교수는 “동물 사람 실험간에 잘 맞는다는 항암제마저도 적합성이 5%에 지나지 않다”면서 “반면 오가노이드는 동물복지에도 좋고 실험 결과도 동물실험에 비해 정확도가 높다”고 강조했다.

김덕호 존스홉킨스의대 생명공학과 교수겸 큐리바이오 창업자가 연구실에서 실험을 하고 있다.

오가노이드가 부상하고 있는 까닭은 비용과 효율 때문이다. 제약사는 전임상에서 각기 다른 실험용 쥐인 마우스를 사용한다. 근이항증에 걸린 마우스 가격은 개당 약 100달러다. 큐리바이오 오가노이드를 사용한다면 약 20~30% 비용을 아낄 수 있을 뿐 만이 아니라 대용량 다중실험이 가능해서 전임상 개발기간도 대폭 단축할 수 있다는 김 교수의 설명이다. 또 이렇게 오가노이드를 사용할 경우 동물 복지에도 크게 기여할 수 있다. 현재 전 세계 실험용 동물은 약 2억마리로 추정되며 국내에서는 2021년 기준 488만마리를 사용했다.

오가노이드 배양 3D 플레이트에서, 만타레이 노틸러스 등 실험장비까지

큐리바이오는 오가노이드 플랫폼을 종합 솔루션으로 제공한다. 대표적으로 오가노이드를 배양하는 3D 플레이트와 이들과 연동해 다양할 실험을 수행할 수 있는 만타레이 (Mantarray), 노틸러스(Nautilus), 스팅레이(Stingray)등 다양한 실험장비가 있다. 연구자들은 이러한 실험장비와 함께 구매할 수 있는 2D·3D 세포모델을 활용해 인체모사형 심근, 근육, 신경 조직등의 생리적 반응을 쉽게 조사할 수 있다. 또 3D 조직을 성숙시키거나 신약의 효용성을 정확하게 분석 예측할 수 있다. 만타레이나 노틸러스 플랫폼은 연구자들이 자동화된 워크플로우를 통해 신속하게 데이터를 수집하고 분석할 수 있게 해준다. 동시에 2D·3D 세포모델의 전기 생리학적 시료와의 호환성도 제공한다. 스팅레이는 3D 세포를 대상으로 전기적 자극을 완벽하게 제어할 수 있게 지원하며, 만성 페이싱 연구를 위한 장기 자극 실험을 예약할 수 있는 기능을 갖추고 있다. 이러한 시스템은 단독으로 사용하거나 다른 큐리바이오의 생명공학 도구와 함께 사용할 수 있다.

큐리바이오의 전임상 플랫폼은 인간 줄기세포를 기반한 바이오시스템과 이를 통해 확보할 수있는 인간 기반 전임상 데이터를 AI 머신러닝과 결합시켰다. 신약 발견을 획기적으로 가속화하고 모든 동물실험을 원천적으로 대체하려는 커다란 목표다. 이러한 성과에 노보 노디스크, 베링거 잉겔하임, 버텍스 등 주요 글로벌 제약사들이 고객으로 동참했다.

현재 큐리바이오는 오가노이드 플랫폼 뿐 아니라 미국 존스홉킨스 대학등과 함께 미국 국립보건원 및 미국 항공 우주국(NASA)과도 공동 프로젝트를 추진하고 있다. 특히 큐리바이오는 존스홉킨스 김덕호 교수랩과 함께 인간유도만능줄기세포 기반의 인공심창칩(Heart Tissue-on-a-chip)을 스페이스X 우주선에 실어 쏘아 올려 우주가 인체에 미치는 영향을 연구하고 있다. 인공심장칩은 국제우주정거장(ISS) 내 무중력 상태에서 인간의 노화과정과 심장 건강 상태를 조사하고 심장질환 치료 개발을 위한 중요한 데이터로 쓰일 것으로 보인다.