3D 오가노이드

오가노이드

생물학적 연구와 질병 모델링으로 실제 조직의 복잡성을 재현합니다.

오가노이드란?

오가노이드는 폐, 간 또는 뇌 등 인간 장기의 복잡한 구조와 기능성을 근접하게 모방하기 위해 설계된 삼차원(3D) 다세포, 줄기세포 유래 미세조직입니다. 오가노이드는 다세포성이며 기존의 2D 세포 배양과 비교하였을 때 복잡한 in vivo 세포 반응과 상호작용을 보다 잘 나타낼 수 있도록 하는 고차원적 구조의 Self-Assembly를 입증합니다.

오가노이드를 차별화하는 세 가지 구분되는 정의가 있습니다.

이것은 여러 종류의 세포를 포함한 3D 생물학적 마이크로조직입니다.
조직의 복잡성, 구성요소, 구조를 나타냅니다.
그리고 조직 기능성의 적어도 일부 측면과 유사합니다.

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오가노이드는 인간 조직에 대한 향상된 모델링이 가능하므로 암 연구, 신경생물학, 줄기세포 연구, 신약 개발 분야에서 점점 중요해지고 있습니다. 줄기세포에서 유래된 오가노이드는 간, 폐, 뇌, 신장, 위, 장과 같은 광범위한 조직 유형으로 분화될 수 있습니다. 이러한 3D 마이크로조직이 in vivo 장기를 모방하므로, 이는 연구자들에게 인간의 발달과 질병 기전에 대한 더 뛰어난 인사이트를 제공할 수 있습니다. 예를 들어, 연구자들은 특정한 유전자 돌연변이가 특정 유전 질환과 어느 정도 연계되어 있는지 이해하기 위해 유전자 변형된 세포의 오가노이드를 성장시킬 수 있습니다. 또한 오가가노이드는 감염병과 숙주-병원성물질 상호작용 연구가 용이하도록 할 수 있습니다. 마지막으로, 신약 Screening과 독성 평가에 환자 유래 오가노이드를 사용하게 되면 연구자들이 맞춤형 의학을 진보시키도록 할 수 있습니다.

오가노이드 배양과 Screening의 전반적인 실험과정

오가노이이드와 다른 3D 세포 시스템의 성장 복잡성 때문에, 이러한 생물학적 Assay를 정확하고 효율적으로 특성 분석하기 위해서는 더 정교한 3D Imaging과 분석 기법이 필요합니다. 오늘날, 자동화 Confocal Imaging 시스템과 3D 이미지 분석 소프트웨어는 연구자들의 실험과정을 간소화하고 최적의 결과를 얻도록 돕기 위해 일반적으로 사용됩니다.

오가노이드 배양과 Screening의 실험과정

1단계) 2D 사전 배양

오가노이드는 일차 세포(장, 폐, 또는 신장) 또는 유도만능줄기세포에서 유래합니다. 줄기세포는 다양한 조직 특이적 오가노이드로 분화되거나 자기조립될 수 있습니다.

2단계) 3D 오가노이드 개발하기

일반적으로 세포는 사전에 Matrigel과 혼합되며, 실온에서 24-Well 플레이트에 액적을 놓습니다. 이후 플레이트를 배양기에 넣고 고체 상태의 액적 돔을 형성하게 합니다. 이후 배지를 7일 이상 첨가하여 세포 생장과 특정 조직(뇌, 창자, 폐 등)으로 분화하도록 촉진합니다. 배지에는 ECM 단백질과 다양한 성장 인자가 포함되며, 발달 중인 조직의 유형에 따라 매우 달라집니다.

3단계) 오가노이드 배양

오가노이드 배양은 긴 시간이 걸리는 과정으로 서로 다른 배지를 이용한 여러 단계를 포함할 수 있습니다. 이 과정 동안 발달 생물학과 조직의 이해에 일반적으로 사용되는 세포 건강을 Monitoring(Imaging)해야 합니다.

4단계) Monitoring과 판독값

실험을 수행하기 전에 오가노이드를 Monitoring하고 특성 분석하여 조직 구조와 분화가 적절한지 확인합니다. High-Content Imaing은 오가노이드의 생장과 분화, 구조의 3D 재구성, 오가노이드 구조의 복잡한 분석, 세포의 Morphology와 Viability를 비롯하여 다양한 세포 표지자의 발현을 Monitoring하고 시각화가 가능하도록 합니다.

5단계) Confocal Imaging과 3D 분석

오가노이드의 Confocal Imaging 및 3D 분석을 통해 오가노이드와 오가노이드를 구성하는 세포를 시각화하고 정량분석할 수 있습니다. 오가노이드에 대한 다중 정량분석 디스크립터의 특성 분석이 질병 표현형과 약물 효과를 연구하는 데 사용될 수 있습니다.

오가노이드의 Confocal Imaging과 3D 이미지 분석

오가노이드는 질병 모델링과 약물 효과 평가에 매우 유용합니다. 오가노이드의 자동화된 Imaging과 분석은 오가노이드에서 표현형 변화의 정량분석 평가를 비롯하여 실험과 Screening에서 샘플처리량의 증가에도 중요합니다.

오가노이드의 Confocal Imaging과 3D 이미지 분석

Confocal Imaging은 고성능 레이저와 Water Immersion Objective를 장착한 ImageXpress® Confocal HT.ai 시스템과 같이 3D 생물학적 Assay의 복잡성을 파악하기 위해 특히 유용합니다. 성상이 고체 상태이며 빛이 제한적으로 투과되는 일반적인 스페로이드와 다르게, 폐 오가노이드와 같은 일부 3D 오가노이드의 성상은 내강(lumen)이나 강(cavity)이 안에 있는 속이 빈 상태이며, 빛이 더 쉽게 투과하여 Matrigel에 포함된 마이크로조직을 “Imaging 통과”할 수 있도록 합니다.

3D 오가노이드 모델의 Imaging과 분석. 이 짧은 동영상에서 Andy Bashford(Imaging 응용 분야 과학자)는 3D 기도 오가노이드 모델을 이 유형의 Assay에서 많은 정보를 얻을 수 있는 몇 가지 흥미로운 방법과 함께 좋은 예시로써 보여줍니다.

MetaXpress나 IN Carta 이미지 분석 소프트웨어와 같은 High-Content Analysis 도구는 여러 대상/오가노이드에 대한 소견과 특성 분석을 2D 형태(단면에서 또는 최대 투사 이미지) 또는 여러 평면의 대상들이 소프트웨어를 통해 연결되어 3D 공간에서 재구성될 때 3D형태로 가능하도록 합니다. 오가노이드는 직경, 부피, 모양, 특정 표지자의 강도, 또는 다른 대상과의 거리로 특성 분석할 수 있습니다.

게다가 개별 세포, 핵, 또는 세포소기관이 각 오가노이드 내에서 정의되며 측정될 수 있습니다. 이는 특정한 표지자로 살아있는 세포와 죽은 세포를 Counting할 수 있도록 하며, 부피와 대상 간 거리도 정의할 수 있도록 합니다. 수치는 각 오가노이드 또는 Well의 평균으로 Counting할 수 있습니다.

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