IBS 바이러스기초연구소·유전체교정연구단 공동연구
세계 최대 감염병 생체모델 구축… 사이언스지 게재
세계 최대 감염병 생체모델 구축… 사이언스지 게재
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과학기술정보통신부는 최영기 기초과학연구원(IBS) 한국바이러스기초연구소 소장과 구본경 유전체 교정 연구단 단장 공동 연구진이 한국에 서식하는 박쥐에서 유래한 장기 오가노이드(organoid)를 성공적으로 구축해 바이러스 감염 특성과 면역 반응을 분석할 수 있는 새로운 연구 플랫폼을 개발했다고 밝혔다. 오가노이드는 성체 및 배아 줄기세포를 실험실 환경에서 분화해 장기의 세포 구성 및 기능을 모방한 3차원의 장기유사체다. 해당 연구 결과는 세계 최고 권위의 학술지 사이언스(Science, IF 44.7)에 16일 게재된다.
감염병의 약 75%는 동물로부터 유래하는데, 특히 박쥐는 사스코로나-2(SARS-Cov-2), 메르스코로나(MERS-CoV), 에볼라, 니파 등 사람과 동물 사이를 오가며 전파될 수 있는 다수의 고위험 인수공통바이러스의 자연 숙주로 알려져 있다. 박쥐 유래 신·변종 바이러스가 고위험 전염병이나 팬데믹을 유발할 잠재적 위협이 되는 이유다.
때문에 박쥐 유래 바이러스의 증식 및 전파 특성을 조기에 규명하고 선제적으로 대응할 수 있는 연구의 필요성이 강조되고 있지만, 현재 박쥐 유래 바이러스 연구를 위한 생체 모델은 극히 제한적이다. 실제로 기존 생체 모델 대부분은 일반 세포주 또는 열대 과일박쥐 일부 종에서 얻은 단일 장기 조직 오가노이드에 한정되어 있어 다양한 박쥐 종과 조직 특성을 반영한 생체 모델은 부재한 상황이다.
이에 IBS 연구진은 한국을 비롯해 동북아시아 및 유럽에 널리 서식하는 식충성 박쥐인 애기박쥐과(Vespertilionidae) 및 관박쥐과(Rhinolophidae) 박쥐 5종으로부터 기도, 폐, 신장, 소장의 다조직 오가노이드 생체 모델을 구축하고 박쥐 유래 바이러스 연구의 새로운 기반을 마련하고자 했다.
연구진은 새롭게 구축한 박쥐 오가노이드를 활용해 코로나(SARS-Cov-2, MERS-CoV), 인플루엔자, 한타 등 박쥐 유래 인수공통바이러스의 특이적 감염 양상과 증식 특성을 규명했다. 이들 고위험 바이러스들은 각각 특정 박쥐 종과 장기에서만 감염되거나 증식하는 경향을 보였는데, 특히 한타바이러스는 박쥐 신장 오가노이드에서 효과적으로 증식되는 것을 확인했다. 이러한 결과는 박쥐 신장 오가노이드가 한타바이러스의 감염 특성을 정밀하게 분석할 수 있는 새로운 감염 모델로 활용될 수 있음을 뒷받침한다.
연구진은 또 박쥐 오가노이드에 다양한 인수공통바이러스를 감염시켜 박쥐의 종과 장기, 바이러스 종류에 따라 나타나는 선천성 면역 반응을 정량적으로 확인했다. 그 결과 동일한 바이러스라도 박쥐의 종이나 감염된 장기에 따라 면역 반응의 강도와 양상이 뚜렷이 달랐다. 이는 박쥐가 다양한 바이러스에 대한 방어 메커니즘을 유연하게 조절할 수 있음을 시사하며, 다양한 인수공통바이러스의 자연 숙주가 될 수 있는 생물학적 배경을 이해하는 데 중요한 단서를 제공한다. 나아가 박쥐 오가노이드가 바이러스-면역 상호작용을 규명할 수 있는 중요한 연구 플랫폼으로 활용될 수 있음을 보여준다.
연구진은 이 밖에도 야생 박쥐의 분변 샘플에서 포유류 오르토레오바이러스(MRV)와 파라믹소바이러스(Paramyxovirus) 계열의 샤브 유사(ShaV-like) 바이러스 등 두 종류의 변종 바이러스를 찾아내고, 이를 배양해 분리하는 데에도 성공했다.
아울러 기존 3차원 박쥐 오가노이드를 2차원 배양 방식으로 개량해 고속 항바이러스제 스크리닝에 적합한 실험 플랫폼으로 확장했다. 3차원 오가노이드는 모양과 크기가 균일하지 않아 자동화된 실험이 어렵고 분석과 평가에도 시간이 오래 걸리는 데 반해, 연구진이 개발한 2차원 플랫폼은 오가노이드 유래 세포를 평평한 배양판에 펼쳐 균일한 세포층을 형성하고 있어 실험이 용이하고 분석이 빠르다.
연구진이 이 플랫폼을 활용해 분리한 박쥐 유래 변종 바이러스를 대상으로 렘데시비르(Remdesivir) 등 항바이러스제의 효과를 정량적으로 분석한 결과, 기존 세포주 시스템보다 감염 억제 효과를 더 민감하고 정확하게 반영하는 것이 확인됐다. 이를 통해 연구진은 박쥐 오가노이드가 신·변종 바이러스의 감염성 평가와 치료제 선별에 모두 활용 가능한 생리학적 모델로 기능할 수 있음을 실증했다.
연구를 주도한 김현준 선임연구원은 "이번 플랫폼을 통해 그동안 세포주 기반 모델로는 어려웠던 바이러스 분리, 감염 분석, 약물 반응 평가를 한 번에 수행할 수 있게 됐다"며 "실제 자연 숙주에 가까운 환경에서 병원체를 실험할 수 있다는 점에서 감염병 대응 연구의 정밀성과 실효성을 크게 확장할 수 있을 것"이라고 전했다.
구본경 단장은 "이번 연구는 실제 박쥐 장기의 생물학적 환경을 실험실에서 구현해 낸 점에 주목할 필요가 있다"며 "특히 바이러스에 대한 박쥐 조직의 감염 반응을 정량적으로 추적할 수 있게 됨으로써, 인수공통감염병의 병리 메커니즘 연구에 중요한 전환점이 될 것"이라고 강조했다.
최영기 소장은 "이번에 구축한 세계 최대 규모의 박쥐 오가노이드는 글로벌 감염병 연구자들에게 표준화된 박쥐 모델을 제공하는 바이오뱅크(Biobank) 자원으로서 중요한 의미를 갖는다"며 "박쥐 유래 신·변종 바이러스 감시(surveillance) 및 팬데믹 대비(pandemic preparedness)에 기여할 수 있는 핵심 플랫폼이 될 것으로 기대한다"고 말했다.
