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장기배양
장기배양(organ culture)는 장기의 세포를 조직공학기법으로 배양하는 것이다.
장기배양은 시험관 내에서 전체 장기 또는 장기의 일부를 배양하는 것이다. 실제 체외 장기 자체를 사용하면 다양한 상태와 조건에서 장기 기능을 보다 정확하게 모델링할 수 있으므로 이는 조직 배양 연구 방법의 발전이다.
장기 배양의 주요 목적은 조직의 구조를 유지하고 정상적인 발달 방향으로 나아가는 것이다. 이 기술에서는 조직이 절대로 파괴되거나 손상되지 않는 것이 중요하다. 따라서 세심한 취급이 필요하다. 성장하는 장기 배양에 사용되는 배지는 일반적으로 조직 배양에 사용되는 배지와 동일하다. 장기 배양 기술은 (i) 고체 배지를 사용하는 방법과 (ii) 액체 배지를 사용하는 방법으로 분류할 수 있다.
장기 배양 기술은 발생학, 염증, 암 및 줄기 세포 생물학 연구의 발전에 기여했다.
현황
2006년 4월, 과학자들은 인공적으로 배양된 7개의 방광을 사람에게 이식하는 실험에 성공했다고 보고했다. Wake Forest Institute의 Anthony Atala는 방광을 배양했으며, Columbia University에서는 턱뼈, Yale에서는 폐를 배양했다. 미네소타 대학의 Doris Taylor는 심장을, 미시간 대학의 H. David Humes는 인공 신장을 배양했다.
비단누에고치에서 자른 실크는 심장 조직 생산을 위한 성장 지지체로 성공적으로 사용되었다. 심장 조직은 손상 시 재생되지 않기 때문에, 교체용 패치 생산은 중요한 관심사이다. 실험에서는 쥐의 심장 세포를 사용하여 기능적 심장 조직을 생성했다.
2015년, Harald Ott는 쥐의 앞다리를 배양하는 데 성공했으며, Ott Lab에서는 생체 인공 심장, 폐, 기관, 신장 등을 생성하는 연구를 진행하고 있다.
2016년, 또 다른 실험에서는 인간 세포를 사용하여 정교하게 구조화된 심장을 조합했으나, 결과적으로 미성숙한 심장이 만들어졌지만, 줄기세포로 심장을 만들 수 있는 가능성을 한 걸음 더 나아갔다.
2017년 1월, Salk Institute의 과학자들은 장기 성장을 위한 DNA를 편집한 돼지 배아를 만들었으며, 그 후 인간 줄기세포를 돼지 배아에 삽입하여 인간 DNA를 채우는 실험을 진행했다.
방법론
체외배양
배아 장기배양은 성체 동물에서 유래한 일반적인 장기 배양보다 상대적으로 쉬운 대안이다. 다음은 배아 장기 배양에 사용되는 네 가지 기술이다.
- 플라즈마 응고법 (Plasma clot method)
플라즈마 응고법을 이용한 장기 배양의 일반적인 단계는 다음과 같다:
- 시계유리 위에 15방울의 플라즈마와 5방울의 배아 추출물을 혼합하여 플라즈마 응고를 만든다.
- 시계유리를 페트리 접시 안에 놓고, 그 아래에 솜을 깔아두며 솜은 과도한 증발을 방지하기 위해 적셔두어야 한다.
- 신중하게 해부된 작은 조직 조각을 플라즈마 응고 위에 올려놓는다.
현재 이 기술은 수정되어, 조직을 올릴 수 있는 렌즈지나 레이온 망을 사용한다. 조직을 옮길 때는 이 래프트(부유체)를 이용하여 쉽게 옮길 수 있다. 과도한 액체는 제거하고, 조직이 있는 망을 새로 준비된 배양액에 다시 놓는다.
- 한천 젤법 (Agar gel method)
한천으로 고형화된 배지는 장기 배양에 사용되며, 성체 동물의 장기는 이 배지에서 잘 생장하지 않는다. 특별한 장비와 매체가 필요하다.
또한, 혈청이 포함된 혹은 포함되지 않은 정의된 배지와 함께 한천을 사용할 수 있다. 한천을 포함한 배지는 장기 배양에 필요한 기계적 지지체 역할을 하며, 액체로 변하지 않는다. 배아 장기는 이 배지에서 잘 자라지만, 성체 장기는 이 배지에서는 잘 생존하지 않는다.
성체 동물의 장기나 장기의 일부를 배양하는 것은 더 어려운 작업이다. 성체 장기는 더 많은 산소를 필요로 하기 때문이다. 다양한 성체 장기(예: 간)는 특수한 배지와 장비(Towell's II 배양 챔버)를 사용하여 배양된 바 있다. 혈청이 독성이 있다는 사실이 밝혀졌고, 이를 해결하기 위해 혈청 없는 배지가 사용되었으며, 특수한 장비에서는 95% 산소를 사용할 수 있다.
- 래프트 방법 (Raft Methods)
이 방법에서는 조직 조각을 렌즈지나 레이온 아세테이트로 만든 래프트에 놓고, 이를 시계유리 안의 혈청에 떠 있게 한다. 레이온 아세테이트로 만든 래프트는 네 모서리를 실리콘으로 처리하여 혈청 위에 떠 있을 수 있도록 한다.
렌즈지의 부유성도 실리콘 처리를 통해 향상시킬 수 있다. 각 래프트에는 보통 4개 이상의 조직 조각이 올려진다.
래프트와 응고법을 결합한 방법에서는, 조직 조각을 먼저 적합한 래프트 위에 놓고, 이를 다시 플라즈마 응고 위에 놓는다. 이 수정된 방법은 배양액의 교체를 쉽게 하고, 조직 조각이 액화된 플라즈마에 가라앉지 않도록 방지한다.
- 그리드 방법 (Grid Method)
1954년 Trowell에 의해 처음 고안된 그리드 방법은 25mm x 25mm 크기의 적합한 와이어 메시나 구멍이 뚫린 스테인리스 스틸 시트를 사용한다. 이 시트의 가장자리는 약 4mm 높이의 4개의 다리 형태로 구부러져 있다.
골격 조직은 일반적으로 그리드 위에 직접 배치되지만, 더 부드러운 조직(예: 선 조직, 피부)은 먼저 래프트에 올려놓고, 그 후 래프트를 그리드 위에 놓는다.
그리드는 액체 배양액이 그리드 위까지 차오른 배양 챔버에 배치된다. 이 챔버는 성체 포유류 장기의 높은 산소 요구를 충족시키기 위해 O₂와 CO₂ 혼합물로 공급된다. 원래의 그리드 방법의 수정된 버전은 성체 및 배아 조직의 성장과 분화를 연구하는 데 널리 사용된다.
장기배양의 종류
장기배양은 다양한 방법으로 분류될 수 있다. 대표적인 종류로는 다음과 같다.
- 전체 장기 배양: 조직이나 기관을 통째로 배양하는 방법이다. 장기 전체가 살아있는 상태로 배양되며, 장기의 기능과 구조적 변화를 연구하는 데 유용하다.
- 조직 조각 배양: 장기나 조직을 작은 조각으로 나누어 배양하는 방법이다. 장기의 세포들이 서로 상호작용하는 방식을 연구할 수 있다.
- 세포층 배양: 장기에서 분리된 세포를 배양하는 방법으로, 세포의 개별적인 반응을 연구할 수 있다.
장기배양의 목적
장기배양의 주요 목적은 다음과 같다.
- 생리적 연구: 장기배양을 통해 장기의 생리적 과정을 체외에서 관찰하고, 그 변화를 분석할 수 있다.
- 약물 연구: 약물의 효능과 독성을 평가하기 위해 장기배양이 사용된다. 체외에서 약물이 장기나 조직에 미치는 영향을 연구할 수 있다.
- 병리학적 연구: 질병의 진행과 병리적 변화를 연구하기 위해 장기배양이 활용된다. 예를 들어, 암세포의 성장과 전이를 연구하거나, 세포의 변형 과정을 실험할 수 있다.
- 기초 생명과학 연구: 세포 상호작용, 신호 전달 경로, 조직 공학 등 다양한 기초 연구에 사용된다.
장기배양의 장점
장기배양은 여러 가지 장점을 제공한다.
- 생리적 환경 유지: 장기배양은 장기의 기능적 특성을 최대한 유지할 수 있는 방법이다. 이는 세포배양보다 장기의 복잡한 상호작용을 더 잘 반영할 수 있다.
- 전신 효과 분석: 전체 장기를 배양함으로써, 세포배양에서는 확인할 수 없는 전신적 효과나 상호작용을 연구할 수 있다.
- 체외 실험 모델 제공: 체내 실험이 어려운 경우, 장기배양은 안전하고 윤리적인 대체 실험 모델을 제공할 수 있다.
용도
배양된 장기는 다른 사람으로부터 제공된 장기를 대체할 수 있다. 이는 기증 가능한 장기의 부족 문제를 해결할 수 있으며, 환자 자신의 줄기세포로 만든 장기를 사용하면 면역억제제가 필요 없다는 장점이 있다.
한계
인공 배양된 장기의 결과는 종종 인체 내 실험 결과와 비교할 수 없으며, 약물의 대사 등이 인체 내에서만 이루어지기 때문이다.
참고자료
같이 보기
