Transient Vascular Cell Integration and Intrinsic Media-Stimulated Endothelial Activation Reveal Diabetic Retinopathy Signatures in Human Retinal Organoids

인간의 눈은 빛을 우리가 보는 이미지로 바꾸기 위해 망막이라고 불리는 눈 뒤쪽의 섬세한 조직층에 의존합니다. 이 조직은 단순히 수동적인 스크린이 아닙니다. 이는 산소와 영양분을 지속적으로 공급하는 조밀한 미세 혈관 네트워크를 필요로 하는 복잡하고 살아있는 신경 세포의 네트워크입니다. 이러한 혈관 지원이 없다면 망막 중심부의 세포들이 죽기 시작하며, 이는 당뇨망막병증과 같은 질환으로 인한 실명으로 이어집니다. 수십 년 동안 과학자들은 줄기세포를 사용하여 실험실에서 인간 망막의 축소판을 키우려고 노력해 왔습니다. 오가노이드라고 알려진 이 작은 자가 조직화 구조체들은 눈이 어떻게 발달하는지 연구하는 데 매우 귀중한 역할을 해왔습니다. 그러나 주요한 한계가 지속되어 왔습니다. 실험실에서 키운 망막은 대체로 무혈관 상태, 즉 망막을 장기적으로 유지하는 데 필요한 혈관이 부족하다는 점입니다. 결과적으로, 이들은 완전히 성숙하지 못하거나 혈관 실패가 근본 원인인 질병을 모델링하는 데 어려움을 겪곤 합니다.

연구자들은 이 두 종류의 조직을 추가하면서도 망막의 복잡한 층 구조를 파괴하지 않고 혈관을 추가하는 방법을 오랫동안 모색해 왔으나, 이는 매우 어려운 일이었습니다. 단순히 두 유형의 조직을 섞는 것은 정교한 신경 층이 붕괴되는 무질서한 덩어리를 만드는 결과를 초래하곤 했습니다. 더욱이, 망막을 지원하는 데 필요한 혈관과 면역 세포를 외부에서 추가해야 하는지, 아니면 망만의 조직 자체가 적절한 조건 하에서 이러한 지원 세포를 생성할 잠재적 능력을 보유하고 있는지 여부도 불분명했습니다. 이러한 구분을 이해하는 것은 고혈당이 눈의 미세 혈관을 손상시켜 염증과 시력 상실을 일으키는 당뇨병과 같은 질환의 정확한 모델을 만드는 데 매우 중요합니다.

뉴캐슬 대학교와 협력 기관의 과학자 팀은 이제 이 수수께을 풀기 위한 중요한 진전을 이루었습니다. 그들은 혈관 세포와 면역 세포를 포함하는 인간 망막 오가노이드를 성공적으로 배양했으나, 여기에는 결정적인 반전이 있었습니다. 바로 통합 방식이 일시적이었으며, 추가하는 시점이 핵심이었다는 점입니다. 연구진은 발달의 특정 초기 단계에 이러한 혈관 세포들을 도입함으로써, 오가노이드가 건강한 인간 망막처럼 적절한 층 구조를 유지하고 심지어 빛에 반응할 수 있다는 것을 발견했습니다. 아마도 더 놀라운 점은, 외부 혈관을 추가하지 않고 영양분이 풍부하고 혈관 형성을 촉진하는 환경에서 망막 오가노이드를 키웠을 때, 오가노이드가 스스로 내부의 염증성 혈관 유사 세포를 자발적으로 생성했다는 것입니다. 이렇게 스스로 만들어진 세포들은 실험실 내에서 당 수치를 조절하지 않고도 질환을 연구할 수 있는 새로운 방법을 제시하며, 인간의 눈에서 당뇨망망병증을 앓을 때 나타나는 것과 매우 유사한 유전적 특징을 보여주었습니다.

연구진은 먼저 인간 줄기세포로부터 "혈관 오가노이드"를 만드는 것으로 시작했습니다. 이것들은 혈관 세포, 지지 세포, 그리고 면역 세포가 자연스럽게 혼합되어 발달하는 작은 3차원 조직 구체입니다. 그런 다음 그들은 이 혈관 오가노이드를 발달 중인 망막 오가노이드와 결합하는 두 가지 다른 전략을 테스트했습니다. 첫 번째 접근법에서는 두 개의 완전히 형성된 오가노이드를 서로 융합시키려 했으나, 이는 몇 주 후 망막의 조직화된 층의 상실을 초래했습니다. 두 번째 접근법은 훨씬 더 성공적이었습니다. 연구팀은 혈관 오가노이드를 개별 세포 단위로 분해하여, 조직이 3D 구체로 말리기 전의 평평한 망막 조직 시트에 뿌려주었습니다. 그들은 혈관 세포가 어릴 때(12일째)와 더 성숙했을 때(30일째)라는 두 가지 시점에 이 작업을 수행했습니다.

결과는 도입 시기가 모든 것을 결정한다는 것을 보여주었습니다. 연구진이 어린 12일 차 혈관 세포를 추가했을 때는 오가노이드가 일부 구조를 형성했지만 통합이 덜 안정적이었습니다. 그러나 더 성숙한 30일 차 혈관 세포를 추가했을 때의 결과는 놀라웠습니다. 혈관 세포들이 망막 조직 속으로 이동하여 일정 기간 지속되었지만, 결정적으로 망망의 섬세한 구조를 방해하지 않았습니다. 오가ло이드들은 광수용체가 바깥쪽에 있고 신경 세포가 안쪽에 있는 것처럼 독특한 층을 유지했습니다. 더욱 중요한 것은, 이 오가노이드들이 기능적으로 유지되었다는 점입니다. 빛에 노출되었을 때 오가노이드 내의 신경 세포들이 전기 신호를 발사했는데, 이는 새로운 혈관 세포가 존재함에도 불구하고 복잡한 망막 회로가 올바르게 형성되었음을 나타냅니다.

혈관 세포들이 약 100일 후에 오가노이드에서 점차 사라졌지만, 이 실험은 망막 조직 자체 내에 숨겨진 능력이 있음을 드러냈습니다. 연구진이 외부 혈관 세포를 추가하지 않고 혈관 성장을 촉진하는 특수 액체에서 망막 오가노이드를 키운 대조군에서는, 오가노이드가 스스로 혈관 유사 세포를 생산하기 시작했습니다. 이 세포들은 살아있는 눈에서 발견되는 건강하고 조직화된 혈관이 아니었습니다. 대신, 이들은 염증과 스트레스 마커를 나타내는 무질서한 클러스터 형태로 나타났습니다.

과학자들이 이 자가 생성된 세포들의 유전 코드를 분석했을 때, 그들은 인간 질환과의 놀라운 연관성을 발견했습니다. 이 세포들은 고농도의 당에 노출된 인간의 눈에서 발견되는 혈관 세포의 프로필과 일치하는 특정 유전적 지침을 가지고 있었습니다. 이 세포들은 염증 징후와 더불어 더 단단하고 흉터 같은 상태로 변하는 징후를 보였는데, 이는 당뇨망망병증의 초기 경고 신호입니다. 연구진이 배양 접시에 추가적인 당을 넣지 않았음에도 불구하고, 혈관 촉진 액체의 존재 자체만으로도 오가노이드의 자체 세포에서 이러한 질병 상태를 유발하기에 충분했습니다.

연구는 또한 눈 내부의 면역 체계에 대해서도 조명했습니다. 연구진은 외부 세포를 추가하든 안 하든 모든 오가노이드에서 면서, 특히 미세아교세포(microglia)라고 알려진 백혈구의 일종이 자연스럽게 나타난다는 것을 발견했습니다. 이 세포들은 조직을 통해 움직이며, 오가노이드가 성숙함에 따라 둥근 모양에서 가지가 있는 모양으로 형태를 변화시켰는데, 이는 발달 중인 인간의 눈에서 보이는 면역 세포의 행동을 모방한 것입니다. 이는 망막이 자체적인 면역 방어 체계를 모집하고 수용할 수 있는 내재적 능력을 갖추고 있음을 시사하며, 이는 염증이 어떻게 안구 질환에 기여하는지를 연구하는 데 필수적인 특징입니다.

이 연구 결과는 모든 혈관과 면역 세포를 연구를 위해 외부에서 추가해야 한다는 가설에 도전합니다. 대신, 연구는 망막 조직 자체가 이러한 지원 시스템을 생성할 잠재력을 가지고 있지만, 그 조직이 자라는 환경이 건강한 상태가 될지 혹은 질병 상태가 될지를 결정한다는 점을 시사합니다. 환경이 너무 공격적이거나 적절한 물리적 신호가 부족하면, 오가노이드는 당뇨망망병증에서 보이는 손상과 유사한 혼란스럽고 염증적인 버전의 혈관을 생성하게 됩니다.

이 작업은 혈관 실패가 어떻게 실명으로 이어지는지 이해하기 위한 새로운 도구를 제공합니다. 망막이 스스로 스트레스를 받은 혈관을 생성하도록 만드는 모델을 만듦으로써, 과학자들은 이제 인간 조직 맥락에서 당뇨망망병증의 가장 초기 분자적 사건들을 연구할 수 있게 되었습니다. 또한 이 연구는 조직 공학에서 시기와 환경의 중요성을 강조합니다. 성숙한 혈관 세포를 추가하는 것이 망막 발달을 지원하면서도 손상을 입히지 않을 수 있지만, 이 조직들을 키우는 데 사용되는 조건은 실수로 질병 상태를 유발하지 않도록 세심하게 제어되어야 함을 보여줍니다. 혈관화되어 있으면서도 면역 기능을 갖추고 구조적 무결성을 유지하는 망한 오가노이드를 배양할 수 있는 능력은 새로운 치료법을 테스트하기 위한 현실적인 인간 눈 모델을 만드는 데 있어 중요한 진전을 의미합니다.