신장질환 치료타겟 발굴을 위한 신장 오가노이드 질환모사체 개발 기반 구축

초록

본 연구과제의 최종 목표는 신장 질환 치료 타겟 발굴을 위해 유도만능줄기세포 유래 신장 오가노이드 분화 기술 확보 및 신장 질환 모사체 개발의 기반을 구축하는 데 있음. 총 2년 동안 연구가 수행되었으며, 1차 연도에는 인간유도만능줄기세포 유래 신장 오가노이드 제작 및 오가노이드를 활용한 신장 질환 모델 제작을 목표로 연구를 수행하였으며, 2차년도에는 구축된 신장 오가노이드 프로토콜 재현 및 발주부서에 오가노이드 제작교육 및 기술 훈련을 목표로 연구를 수행하였음. 발주부서의 요청에 따라 국립줄기세포재생센터에 보유하고 있는 국가줄기세포주 3종을 분양 받았으며, 배아줄기세포 1종, 유도만능줄기세포 5종 등 총 6종의 서로 다른 만능줄기세포를 활용하여 신장 오가노이드를 배양할 수 있는 분화법을 확립하였고, 체외에서 신장 모델로서의 기능을 가지고 있는지 특성 분석을 완료 하였음. 또한 기존의 신장 오가노이드의 경우 분화가 완료된 후에는 long-term 배양 및 frozen-thawing이 어렵다는 단점을 극복하고 인체와 유사한 반응성을 볼 수 있는 체외 신부전 모델링을 하기 위해 기 확립된 신장 오가노이드를 활용한 expandable한 신장 오가노이드 유래 tubule organoid를 확보하였고, 이를 활용하여 최대 30일 동안 고농도의 포도당 및 염증성 싸이토카인에 노출 시켜 신장 세포의 변화를 확인하였으며, 신부전에서 주되게 일어나는 tubule epithelial cell의 EMT 반응을 확인하였음. 이러한 연구 결과 및 오가노이드 제작 기술은 온라인/오프라인 미팅을 통해 발주부서에 기술 훈련을 제공하였으며, 표준 프로토콜 역시 문서로 발주부서에 제출하였음. 본 연구 결과는 재현성 높은 신장 오가노이드 제작 기술을 확보하였고, 이를 활용한 신부전 모델링의 가능성을 제시하였으며, 이를 바탕으로 신장질환 관련 표적인자 탐색, 약물 효능 및 독성 평가, 병태생리학적 기전 규명 등 다양한 신장 질환 연구를 위한 기반을 마련하였다고 할 수 있음.

The ultimate goal of this research project is to establish the foundation for identifying therapeutic targets for kidney diseases by developing differentiation techniques for kidney organoids derived from induced pluripotent stem cells (iPSCs) and creating models that simulate kidney diseases. The research was conducted over two years. In the first year, the focus was on generating kidney organoids derived from human iPSCs and developing kidney disease models using these organoids. In the second year, the aim was to replicate the established kidney organoid protocols and provide training in organoid generation techniques to the commissioning department. At the request of the commissioning department, three national stem cell lines from the National Stem Cell Regeneration Center were obtained. Using a total of six different pluripotent stem cell lines—comprising one embryonic stem cell line and five induced pluripotent stem cell lines—a differentiation method for culturing kidney organoids was established, and the functional characteristics of the organoids as kidney models were thoroughly analyzed in vitro. Moreover, to address the limitations of existing kidney organoids—such as difficulties in long-term culture and frozen-thawing after differentiation—a method was developed for expandable kidney organoid-derived tubule organoids. These tubule organoids, which exhibit human-like responsiveness, were exposed to high concentrations of glucose and inflammatory cytokines for up to 30 days, revealing cellular changes in the kidney. The epithelial-mesenchymal transition (EMT) response of tubule epithelial cells, a key phenomenon in kidney failure, was also observed. The results of this research and the organoid production techniques were shared with the commissioning department through online and offline meetings, and a standardized protocol was also submitted in document form. This study successfully established reproducible kidney organoid production techniques and demonstrated the potential for kidney failure modeling using these organoids. The outcomes provide a foundation for various kidney disease research applications, including the identification of disease-specific target factors, drug efficacy and toxicity evaluations, and elucidation of pathophysiological mechanisms.