A novel 3D cardiac microtissue model for investigation of cardiovascular complic

인생-공부 2025. 3. 24.

이 리뷰는 2024년 Stem Cell Research & Therapy에 게재된 Wolnik et al.의 논문을 기반으로 하며, 류마티스 관절염(RA)과 심혈관계(CV) 질환 간의 병리적 연관성을 연구하기 위한 새로운 3차원 심장 미세조직(cardiac microtissue, cMT) 모델을 개발한 내용을 다룹니다. RA는 관절에만 영향을 미치는 자가면역 질환으로 여겨졌지만, 최근에는 전신적 염증과 심혈관 질환의 연관성이 주목되고 있습니다. 본 연구에서는 인간 유도만능줄기세포(hiPSC)로부터 심근세포(CM), 내피세포(EC), 심장 섬유아세포(CF)를 분화시켜 이들을 3차원 구조로 통합한 심장 오가노이드를 생성하였고, 이를 통해 RA 환경에서 나타나는 전형적인 혈관 구조 증가 및 대사 변화 등을 정량적으로 분석하였습니다.

연구 배경 및 중요성

류마티스 관절염 환자는 정상인보다 심혈관 질환의 위험이 35~50% 높고, 평균 수명이 약 10년 짧습니다. 이는 염증성 사이토카인(TNF-α, IL-1β, IL-6 등)이 혈관 기능을 악화시키고 심근세포에도 악영향을 미치기 때문입니다. 그러나 인간 RA 심장세포를 직접 얻는 것은 매우 어려우며, 기존 동물 모델은 사람의 생리학을 완전히 반영하지 못합니다. 따라서 RA 환자의 세포에서 유래한 3차원 심장 조직을 생성하여, 질환 특이적 환경에서 나타나는 심장 기능 및 혈관 네트워크의 변화를 분석하는 것은 매우 중요한 연구입니다.

연구 목적 및 배경

이 연구의 목적은 RA 환자 유래 PBMC(말초혈 단핵세포) 및 FLS(섬유모양 활막세포)로부터 hiPSC를 유도하고, 이들로부터 CM, EC, CF를 분화시켜 3차원 심장 오가노이드(cMT)를 구축하는 것입니다. 이를 통해 RA 관련 염증 및 혈관형성 환경이 심장세포 기능에 미치는 영향을 분석하고, 향후 약물 독성 평가 및 정밀의료에 활용 가능한 플랫폼으로서의 가능성을 평가하고자 했습니다.

연구 방법

RA 및 건강인 유래 PBMC와 FLS를 Sendai 바이러스를 이용해 hiPSC로 전환
hiPSC로부터 CM, EC, CF 분화 유도 (WNT/β-catenin, VEGF 등 활용)
분화된 세포를 70% CM, 15% EC, 15% CF 비율로 혼합해 cMT 형성
형성된 cMT에 대해 구조 및 대사 기능 분석 (IF, qRT-PCR, Seahorse)
전기생리학적 분석(Patch clamp) 및 혈관 생성능 분석(Tube formation assay)

세포는 플루오레선스 염색 및 유세포 분석으로 특이 마커 발현을 확인하였으며, 3차원 구조의 유지력, 자발적 박동, 혈관 구조 형성 등 다양한 기능적 특성을 평가하였습니다.

주요 발견 및 결과

RA 유래 cMT는 건강인 대비 더 조밀하고 복잡한 모세혈관 유사 구조를 형성하였으며, 이는 CD31 양성 면적의 증가로 정량화되었습니다. 또한, 염증성 사이토카인(TNF-α, IL-1β)에 노출된 RA 유래 hiPSC-CM은 동작 전위(Action Potential) 기간의 변화(APD90 증가 등)를 보였으며, 이는 심장 리듬 이상 가능성을 시사합니다. 대사 측면에서도 Seahorse 분석 결과, RA cMT는 산소 소비율(OCR)과 당분해에 의한 산성화(ECAR)가 모두 증가하여 대사 재프로그래밍이 발생함을 보여주었습니다.

실험 결과 요약

분석 항목	주요 결과
세포 분화 효율	CM: 79.8% cTnT 양성, EC: 94% CD31/CD144 양성, CF: 83.5% DDR2 양성
혈관 구조	RA cMT에서 더 조밀하고 분지된 모세혈관 구조 관찰 (p < 0.01)
전기생리 특성	RA CM에서 TNF-α, IL-1β 처리 후 APD90, Upstroke 속도 변화
대사 기능	RA cMT에서 OCR, ECAR 모두 증가
구조 유지력	21일간 안정적인 3차원 구조 유지 및 자발적 수축 관찰

한계점 및 향후 연구 방향

본 연구는 RA 세포 유래 오가노이드를 기반으로 기능적 분석을 시도한 점에서 큰 의미가 있지만, 면역세포를 포함하지 않았다는 점에서 실제 RA 환경을 완벽하게 재현하진 못했습니다. 향후에는 T세포, 대식세포 등을 통합한 오가노이드 모델이 필요하며, TNF 억제제 등 치료제에 대한 반응성 분석을 통해 약물 효능 예측 플랫폼으로 확장 가능할 것입니다.

결론

이 연구는 RA와 심혈관계 질환의 연결고리를 밝히기 위한 최초의 3차원 인간 유래 심장 오가노이드 모델을 제시하였으며, 구조적, 대사적, 전기생리학적으로 RA 특이적 특징을 성공적으로 반영하였습니다. 본 플랫폼은 RA 및 기타 염증성 질환에 대한 약물 독성 예측, 병리 메커니즘 분석에 효과적인 연구 도구로 활용될 수 있습니다.

개인적인 생각

이번 논문은 iPSC 기반 3D 오가노이드를 염증성 질환 연구에 접목한 매우 선구적인 시도로 평가됩니다. 특히 RA 유래 세포들이 자발적으로 모세혈관 구조를 형성하고, 대사 및 전기적 기능에서도 병리적 특징을 보인다는 점은 매우 설득력 있는 결과입니다. 단순히 세포 분화에 그치지 않고, 구조적 통합성과 기능적 평가까지 수행한 점에서, 향후 RA 외에도 심근염, 루푸스 같은 자가면역질환 연구로 확장될 수 있는 훌륭한 모델이라 생각됩니다. 면역세포 추가 및 약물 반응 분석을 통해 더 넓은 정밀의료 영역에서의 적용 가능성도 기대됩니다.

자주 묻는 질문(QnA)

Q1. 이 연구에서 사용된 세포는 어디에서 유래했나요?

PBMC와 FLS는 RA 환자와 건강인에게서 각각 채취하여 hiPSC로 재프로그래밍 되었습니다.

Q2. cMT란 무엇인가요?

Cardiac Microtissue의 약자로, 심근세포, 내피세포, 섬유아세포 등 다양한 심장세포로 구성된 3차원 미세조직 모델입니다.

Q3. 왜 3D 모델이 중요한가요?

2D 배양보다 실제 심장 조직의 구조 및 기능을 더 잘 반영하며, 세포 간 상호작용을 더 정확하게 재현할 수 있습니다.

Q4. Seahorse 분석은 어떤 정보를 주나요?

세포의 산소 소비율(OCR)과 산성화 속도(ECAR)를 통해 대사 활동과 에너지 생성 경로를 평가할 수 있습니다.

Q5. RA 유래 세포는 건강한 세포와 어떻게 다른가요?

RA 세포는 염증성 사이토카인에 더 민감하고, 혈관 생성과 대사 기능에서 더 활성이 높습니다.

Q6. 향후 이 모델의 확장 가능성은?

면역세포를 포함한 복합 오가노이드, 약물 반응 테스트, 환자 맞춤형 정밀의료 플랫폼으로 확장 가능합니다.

용어 설명

RA (Rheumatoid Arthritis): 자가면역 질환으로, 관절뿐만 아니라 전신 염증을 유발함
hiPSC: 인간 유도 만능줄기세포로, 다양한 세포로 분화 가능
CM (Cardiomyocyte): 심근세포, 심장의 수축을 담당하는 세포
EC (Endothelial Cell): 혈관 내피세포, 혈관 내면을 구성함
CF (Cardiac Fibroblast): 심장 섬유아세포, 구조 유지 및 섬유소 분비에 관여
cMT: Cardiac Microtissue, 다양한 심장 세포로 구성된 3D 미세조직
Seahorse 분석기: 세포의 대사 기능(OCR, ECAR 등)을 실시간으로 측정하는 장비
TNF-α, IL-1β: 대표적인 염증성 사이토카인으로, RA 병리 기전에 깊이 관여
Patch clamp: 단일 세포의 전기적 특성을 측정하는 실험 기법
Tube formation assay: 내피세포의 혈관 형성 능력을 분석하는 실험