"스페로이드"와 "오가노이드"라는 용어는 잼과 젤리와 비슷합니다.
물론 이 두 용어는 비슷한 의미를 갖고 있으며, 종종 서로 혼용되어 사용됩니다. 대부분의 경우, 어느 것을 사용하든 큰 문제가 없습니다. 하지만 이 둘은 만들어지는 방식과 기능에서 뚜렷한 차이가 있습니다.
단순히 샌드위치를 만들고자 한다면 잼이나 젤리 중 어느 것을 사용해도 괜찮습니다. 하지만 복잡한 3D 세포 배양을 시작하려면, 이 둘의 차이를 알고 적절한 것을 선택하는 것이 중요합니다.
스페로이드와 오가노이드 배양은 어떻게 다를까요? 각각 고유한 응용 분야를 가지며, 실험실의 다양한 상황에 따라 다른 다세포 구조가 필요할 수 있습니다.
오가노이드 기술은 개인 맞춤형 의학에서 큰 성공을 거두었으며, 질병 모델링, 신약 개발 및 재생 의학 최적화에 사용되고 있습니다. CRISPR 연구에서 오가노이드의 응용은 유전자 편집의 맥락에서 장기 발달을 더 잘 연구하는 데 도움을 줄 수 있습니다.
특히 암 연구에서는 3D 오가노이드가 인간 종양의 병리생리학을 모사할 수 있기 때문에 선택된 암의 돌연변이 시그니처(mutational signatures)에 대한 통찰을 제공할 수 있습니다.
오가노이드는 부모 기관의 자가 조립 미니어처 형태로 기능할 수 있어 연구자들에게 특히 유리할 수 있습니다. 예를 들어, 신경 오가노이드는 뇌 질환을 이해하는 데 도움을 주고 있습니다.
특히 주목할 만한 점은, 종양 스페로이드는 과학자들이 종양의 in vivo 미세환경을 이해하는 데 도움을 줄 수 있다는 것이며, 이는 연구자들이 암 연구에서 약물 효능을 예측하는 것을 도울 수 있습니다.
한 연구팀은 최근 1536-well 플레이트에서 비소세포성 폐암 스페로이드를 대상으로 천연물 라이브러리를 스크리닝하여 암 세포에 활성을 보이는 여러 화합물을 식별했습니다. 또 다른 팀은 대식세포 침투가 있는 스페로이드(spheorids with macrophage infiltrates)를 사용하여 대식세포가 인체 내에서 종양 및 항암제와 어떻게 상호작용하는지를 모델링했습니다.
스페로이드는 줄기세포 연구에서도 사용되어 유도 만능 줄기세포로부터 배아체를 개발할 수 있으며, 이를 통해 신경 질환 및 관련 치료법을 연구하기 위한 고순도의 신경 줄기세포로 전환할 수 있습니다.
스캐폴드 방법에서는 연구자들이 인공 하이드로겔, 세포외 기질, 또는 고형 스캐폴드를 사용하여 세포 성장을 조절하고 스페로이드 형성을 촉진합니다.
비부착 방법은 세포가 표면에 부착하지 않도록 하여 세포끼리 뭉치도록 하는 방법입니다. 바이오리액터에서 지속적으로 흐르는 배양액을 사용해 세포가 용기에 부착하지 않도록 하는 것과, 플레이트에 저부착 코팅을 사용하여 뭉친 세포가 스페로이드를 형성하도록 하는 것이 이에 해당합니다.
행잉드롭 배양 방법에서는 세포를 배지에 심어 표면 아래에 매달린 물방울을 형성합니다. 부착할 표면이 없기 때문에, 세포는 중력에 의해 뭉쳐져 각 물방울 안에 하나의 스페로이드를 형성합니다.
스페로이드 실험을 분석하기 위해 연구자들은 플레이트 리더기, 다양한 현미경 기술, 또는 유세포 분석을 사용합니다.
종양 스페로이드를 이용한 Transwell 이동 및 침입 실험은 이미지 캡처를 통한 현미경 분석, 직접 계수를 통한 현미경 분석, 플레이트 리더, 또는 유세포 분석을 통해 분석할 수 있습니다.
생존력 측정은 죽거나 죽어가는 세포와 생존 세포 간의 차이에 의존하며, 예를 들어 세포사멸 마커(apoptotic marker)의 존재 여부나 살아 있는 세포가 특정 분자를 형광 또는 착색된 산물로 대사할 수 있는 능력에 기반합니다. 스페로이드 내의 세포는 분석 전 단일 세포로 분해되어야 할 수 있습니다.
약물을 운반하는 나노입자나 기타 치료제가 종양 스페로이드에 침투하는 것을 평가하기 위해 연구자들은 유세포 분석, 공초점 현미경 및 다양한 현미경 기술을 사용합니다. 예를 들어, 한 연구팀은 2광자 현미경을 사용하여 서로 다른 특성을 가진 약물 전달 나노입자가 종양 스페로이드 깊숙이 침투할 수 있는 능력을 분석했습니다.
또 다른 연구 그룹은 먼저 대장암 스페로이드를 약물 운반 나노입자로 처리한 후 Hoechst 33342 염료로 염색했습니다. 이 염료는 스페로이드 외부에 더 가까운 세포일수록 더 강하게 염색합니다. 염색 후 스페로이드를 분해하고 유세포 분석을 통해 나노입자 함량과 염색 강도를 분석하여 각 세포의 스페로이드 내 위치와 나노입자의 침투 깊이를 측정했습니다.
2D 배양과 비교해서 스페로이드와 오가노이드는 분석이 더 복잡합니다. 스페로이드나 오가노이드를 분해하거나 절단하지 않고 내부를 이미징하는 것은 어려울 수 있으며, 조직 절편을 만드는 것은 많은 응용 분야에 있어 너무 노동집약적입니다. 또 다른 제한 사항은 특정 암 세포 유형이 스페로이드를 형성할 수 없거나 비구형 응집체를 형성하는 경향이 있다는 점입니다.
또한, 스페로이드 내부의 세포에 대한 영양소와 산소 확산은 스페로이드 크기가 커질수록 제한되므로, 더 큰 스페로이드는 괴사성 코어를 형성하게 됩니다.
스페로이드 연구의 미래 방향성과 떠오르는 트렌드로는 스페로이드를 더 복잡한 조직 구조를 만드는 기본 요소로 사용하는 것과, 손상 없이 전체 스페로이드를 분석할 수 있는 새로운 바이오센싱 방법(예: 광간섭 단층촬영 및 전기화학적 바이오센싱)의 개발하는 것이 있습니다.
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