오가노이드는 인간 장기 구조와 기능성을 모방하기 위해 설계된 줄기세포 유래 미세조직이다. 현재는 단순했던 오가노이드 구조를 복잡하게 진화시키는 방향으로 관련 기술이 개량되고 있다.

오가노이드의 복잡성 구축 연구는 단순히 세포를 3차원으로 배양하는 초기 단계를 넘어 실제 인체 장기와 구조적·기능적으로 유사한 인체모사 시스템을 개발하는 방향으로 빠르게 발전하고 있다. 연구의 핵심은 오가노이드의 생존 능력과 기능성을 극대화하기 위한 세포 복잡성 통합과 미세 환경 재현 기술의 고도화에 집중되고 있다.

첫 번째 초점은 기능성 향상을 위한 핵심 구조 통합이다. 오가노이드 크기가 커지면 산소와 영양분 공급이 제한돼 괴사가 발생하는데 이런 미성숙한 기능을 해결하기 위해 생체 필수 구성 요소인 혈관 및 신경계 통합이 가장 활발하게 연구되고 있다.

혈관화는 오가노이드 내에 기능적인 혈관 네트워크를 구축하는 것으로 내피세포를 공동 배양해 혈관망을 자발적으로 형성하게 하거나 혈관 오가노이드와 장기 오가노이드를 따로 만든 후 융합하는 방식으로 이루어진다.

이러한 혈관화는 산소와 영양분 공급을 원활하게 해 오가노이드의 장기 생존 능력을 높이고, 실제 장기에서 일어나는 대사 및 약물 반응을 더욱 정확하게 모사할 수 있도록 한다.

신경계 통합은 오가노이드에 신경세포를 통합해 실제 장기와 신경계 간의 상호작용을 재현한다. 감각 뉴런을 피부 오가노이드에 통합해 온도나 통증에 대한 반응을 연구하거나 서로 다른 뇌 영역 오가노이드를 결합해 복잡한 신경 회로망과 뇌 질환 모델을 구축하는 것이 대표적인 예이다.

두 번째는 생체 공학적 제어 기술의 융합 방식으로 오가노이드 구조와 미세 환경을 정밀하게 제어하기 위해 공학 기술이 적극적으로 도입되고 있다는 점이다. ‘오르간 온 어 칩(organ-on-a-chip)’ 기술은 여러 오가노이드를 미세 유체 시스템 위에 연결해 다장기 연계 오가노이드 시스템을 구축한다. 이는 약물이 인체 내에서 순환하며 여러 장기에 미치는 독성과 대사, 흡수 과정을 모사할 수 있게 해 신약 개발 과정의 효율성과 정확성을 획기적으로 높이고 있다.

세 번째는 기능성 평가 및 표준화로 인한 면역 세포 통합이다. 면역 세포를 오가노이드에 공동 배양함으로써 염증이나 암 같은 질병에서 중요한 역할을 하는 면역 반응과 미세 환경 상호작용을 모사하는 데 사용되고 있다. 오가노이드 구조와 기능을 정밀하게 분석하기 위해 단일세포 RNA 시퀀싱 등 첨단 분석 기법이 활용되며 인공지능(AI)과 자동화 기술도 적용되고 있다.

이처럼 오가노이드는 단순한 실험 모델을 넘어 질병 메커니즘 규명, 신약 스크리닝, 환자 맞춤형 치료법 개발 및 재생 의학 분야로 확장하고 있다.

AI가 오가노이드의 3차원 구조를 이미징해 연구를 돕기도 하지만, 오가노이드 자체가 AI 연산의 하드웨어가 되는 ‘오가노이드 지능’도 주목받고 있다. 오가노이드를 컴퓨터의 중앙처리장치(CPU)처럼 활용하려는 시도다.

‘바이오 컴퓨팅’이라고도 불리는 이 기술은 실리콘 기반의 반도체 칩 대신 인간의 뇌세포로 이루어진 오가노이드를 사용해 정보를 처리한다. 뇌 오가노이드를 통한 데이터 처리 능력을 가진 컴퓨터를 사용하는 세상을 상상해본다. 상상이 현실이 되는 시점은 머지않았다.

채성욱 한국한의학연구원 책임연구원