15년 차 연구자가 들려주는 알기 쉬운 줄기세포 이야기
안녕하세요,
지난 글에서 우리는 줄기세포를 이용한 인공배아 유도 기술의 기본 원리와 연구의 필요성에 대해 알아보았습니다. 정자와 난자 없이도 생명체의 초기 발달 과정을 모사할 수 있는 이 기술은 발생학 연구에 혁명을 가져왔죠. 그런데 이 인공배아라는 것이 하나의 형태만 있는 것은 아닙니다.
특히 연구자들은 실험 목적에 따라 서로 다른 단계와 특징을 가진 다양한 인공배아 모델들을 만들어내고 있습니다. 어떤 것은 착상 직전의 배반포(blastocyst)와 유사한 것과, 또 다른 것은 세포 층이 분화되는 낭배(gastrula) 단계를 모사합니다. 그럼 이 모델들은 오가노이드(Organoids)와는 어떤 차이점이 있는 지도 알아 보겠습니다. 마치 퍼즐 조각처럼, 생명 발달의 각 단계를 재현하는 이 모델들을 통해 우리는 발생의 복잡한 신비를 하나씩 풀어가고 있습니다.
자연에서 배아는 수정란이 계속 분열하면서 배반포(blastocyst) 단계를 지나, 더 복잡한 낭배(gastrula) 단계로 발달합니다. 인 인공배아 연구는 바로 이 중요한 과정을 실험실 안에서 줄기세포만으로 재현해 내고 있습니다.
배반포는 초기 배아가 자궁에 착상하기 전 단계로, 속이 빈 작은 공 모양 구조입니다. 이 안에는 태아로 자랄 세포(내부 세포 덩어리, inner cell mass)와 태반이 될 세포(영양막, trophectoderm)가 함께 들어 있습니다.
배반포 유사체(Blastoids)는 이 구조를 줄기세포만으로 다시 만들어낸 모델입니다. 연구자들은 배아줄기세포(ESCs)나 유도만능줄기세포(iPSCs)에 여러 신호 물질(Wnt, Activin, FGF 등)을 처리하여, 세포가 스스로 조직화되어 실제 배반포와 비슷한 구조를 형성하는 것을 확인했습니다. 이 모델은 초기 임신 실패나 불임의 원인을 규명하고, 착상 과정을 연구하는 데 유용합니다.
실제로 2021년 네이처에 발표된 연1에서는 쥐의 줄기세포만으로 배반포 유사체를 만들고, 이식 후 정상 발달 가능성을 확인해 큰 화제가 되었습니다.
배반포 이후, 배아는 낭배기(gastrula stage)로 접어듭니다. 이 시기에는 세포들이 내배엽(endoderm), 중배엽(mesoderm), 외배엽(ectoderm)의 층으로 나뉘어, 앞으로 장기와 조직을 만드는 기초가 됩니다.
낭배 유사체(Gastruloids)는 이 과정을 실험실에서 흉내 낸 모델입니다. 낭배 유사체는 배반포 유사체보다 한 단계 더 복잡한 구조를 가집니다. 3차원 배양 환경에서 특정 신호 물질을 정교하게 조절하면 세포들이 스스로 앞뒤 (anterior-posterior), 좌우 (left-right) 같은 몸의 축을 만들어 가는데, 이 덕분에 연구자들은 신경계, 심장, 근육 과 같은 주요 기관이 어떻게 발달을 시작하는지 관찰할 수 있습니다.
2022년 셀(Cell) 저널에 발표된 한 연구2에서는 인간 줄기세포로 낭배 유사체를 제작했고, 여기서 척수나 근육으로 분화하는 세포들을 확인해 발생학 연구의 새로운 장을 열었습니다.
줄기세포 연구 분야에서 그리고 이전에 작성된 글들에서 이미 오가노이드(Organoids)라는 단어를 자주 접하셨을 겁니다. 오가노이드와 인공배아는 모두 줄기세포로 만들어진 3차원 모델이지만, 목적과 지향점에서 뚜렷한 차이를 보입니다.
오가노이드는 줄기세포를 이용해 뇌, 간, 위 등 특정 장기의 구조와 기능을 재현한 '미니 장기'입니다. 오가노이드 연구의 초점은 하나의 장기입니다.
예를 들어, 뇌 오가노이드는 실제 뇌의 특정 부위처럼 신경세포들이 서로 연결된 구조를 형성하여, 뇌 발달 질환 연구나 신약 독성 평가에 활용됩니다. 간 오가노이드는 약물 대사 과정을 모사해 신약 후보 물질을 테스트하는 데 쓰이기도 합니다.
즉, 오가노이드는 특정 장기의 발달과 질환 기전을 이해하고, 치료법 개발에 도움을 주기 위한 모델입니다. 현재는 뇌, 간, 신장, 장, 폐 등 거의 모든 장기를 대상으로 다양한 오가노이드가 활발히 연구되고 있습니다.
반면, 인공배아는 오가노이드처럼 특정 장기를 만드는 것을 목표로 하지 않습니다. 인공배아는 생명체 전체의 초기 발달 과정을 재현하려는 것이 목적입니다.
즉, 태아로 발달할 세포 덩어리, 태반 역할을 할 세포, 몸의 축(axis)을 형성하는 과정까지—생명의 시작 단계에서 일어나는 복잡한 상호작용을 통합적으로 재현하려는 시도입니다.
인공배아는 생명의 시작 단계부터 다양한 세포가 어떻게 상호작용하며 복잡한 유기체를 형성하는지 그 원리를 파헤치는 데 초점을 맞추고 있습니다.
| 구분 | 오가노이드 (Organoids) | 인공배아 (Embryo-like structures) |
| 핵심 정의 | 줄기세포로 만든 ‘미니 장기’ 모델 | 줄기세포가 배아 초기 발달 과정을 통합적으로 모사한 모델 |
| 연구 지향점 | 특정 장기(뇌·간·신장 등)의 구조·기능 재현 | 전체 유기체의 초기 발달(축 형성, 배엽 분화, 보조 조직 포함) 재현 |
| 발달 단계 범위 | 장기 수준의 부분 모델 | 배반포(Blastoids), 낭배(Gastruloids) 등 발달 초기 단계 중심 |
| 구성 요소 | 주로 한 장기의 주요 세포 타입 중심 | 배아로 발달할 세포 + 태반·난황낭 등 보조 계통까지 일부 포함 가능 |
| 자기조직화 범위 | 장기 내부의 미세 구조·기능 중심 | 축(axis) 형성, 배엽 분화, 패턴 형성 등 발생학적 프로세스 중심 |
| 주요 활용 | 질환 모델링, 약물 효능·독성 평가, 환자맞춤 치료 연구 | 초기 발달 연구, 착상/불임 연구, 발생 기전 규명, 윤리적 대안 모델 |
| 대표 예 | 뇌·간·장·폐 오가노이드 등 | Blastoids(배반포 유사체), Gastruloids(낭배 유사체) |
| 기술 복잡성 | 중간—높음 (장기별 프로토콜 다양) | 높음—매우 높음 (여러 계통·신호의 정밀 조율 필요) |
| 윤리·규제 민감도 | 비교적 낮음 (인간 유래 시에도 규정 준수로 관리 가능) |
높음(용어·실험 범위에 대한 윤리·법적 논의 활발) |
| 상업화/응용 현황 | 제약·화장품 독성평가 등 산업 적용 활발 | 주로 기초·발달 연구용(상업화는 초기 단계) |
| 장점 | 실험 재현성↑, 특정 장기 표적 연구에 적합, 환자 유래 적용 가능 | 자연 배아를 쓰지 않고 초기 발생 원리 탐구 가능, 착상·배엽 분화 연구에 강점 |
| 한계/주의점 | 전신(whole organism) 맥락 제한, 혈관·면역 등 결여 가능 | 법·윤리 이슈, 장기 지속 발달 불가, 표준화·재현성 과제 |
용어 메모: “인공배아”는 윤리·법적 민감성이 높아, 학계·산업에서는 보통 “embryo models”, “synthetic embryology”, “gastruloids”, “blastoids” 등의 표현을 더 자주 사용합니다.
* 한줄 요약
줄기세포를 이용한 인공배아 모델들은 단순히 연구 도구 이상의 의미를 가집니다. 배반포 유사체와 낭배 유사체는 생명 발달의 각 중요한 단계에 대한 우리의 이해를 심화시키고, 오가노이드와는 다른 차원의 질문들을 던지고 있습니다. 이 모델들의 발전은 과거에는 상상조차 할 수 없었던 방식으로 발생학의 난제를 해결하고, 불임과 선천성 질환의 원인을 밝히는 데 기여할 수 있습니다.
물론, 이 기술이 불러올 윤리적 논의도 결코 가볍지 않습니다. 인공배아 연구는 “생명이란 무엇인가”라는 근본적인 질문을 다시 제기하며, 어디까지 연구가 허용되어야 하는지에 대한 사회적 합의가 반드시 필요합니다.
다음 글에서는 인공배아 연구의 핵심 기반이 되는 3차원 배양 기술과 신호전달 조절을 더 깊이 살펴보겠습니다. 줄기세포가 실제 배아와 유사한 구조를 어떻게 재현해 내는지, 그 과정을 함께 탐구해 보겠습니다.
줄기세포로 만드는 인공배아, 무엇을 의미할까?
15년 차 연구자가 들려주는 알기 쉬운 줄기세포 이야기 목차줄기세포에서 인공배아를 만드는 기술이란?기본 원리: 줄기세포의 재조립세 가지 줄기세포 계통의 역할자기조직화(Self-organization)란?
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오가노이드란 무엇인가? 줄기세포로 만드는 미니 장기의 탄생과 원리
15년 차 연구자가 들려주는 알기 쉬운 줄기세포 이야기목차오가노이드, 생명 과학의 새로운 미니버스오가노이드란 무엇인가? 개념과 정의3D 자가 조직화(Self-organization)의 경이로움기존 2D 배양
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