농촌진흥청이 돼지 소장에서 추출한 성체줄기세포를 기반으로 실제 돼지 소장 조직과 유사한 3차원 오가노이드를 성공적으로 제작하고, 이를 2차원 장 상피세포 모형으로 전환하는 방법을 개발했다.

그림 1. 돼지의 장 3 차원 배양을 통한 소장 오가노이드 형성

이 연구는 동물실험을 대체할 수 있는 새로운 과학적 접근으로, 가축 생산성 연구와 질병 분석에 실질적 도움을 줄 것으로 기대된다. 연구진은 돼지 소장에서 장 성체줄기세포가 포함된 장선을 분리한 뒤, 이를 3차원으로 배양하여 오가노이드를 구현했다. 3차원 배양법은 줄기세포가 주변 환경과 상호작용하면서 증식하도록 돕는 방식으로, 이를 통해 실제 생체 조직과 매우 유사한 구조를 재현할 수 있었다.

이 오가노이드는 실제 돼지 소장 조직과 비교했을 때 유전자 발현 패턴이 유사하며, 장 세포의 주요 표지인자를 강하게 나타냈다. 특히 다당류(탄수화물)와 같은 작은 분자가 세포를 투과하는 성질을 확인함으로써, 영양분 흡수 능력을 검증하는 데도 적합한 것으로 평가됐다.

그림 2. 3차원 돼지 소장 오가노이드와 실제 소장과 유사도 확인

3차원 오가노이드는 생체 조직과 유사한 구조적 특징을 지니지만, 정밀 실험을 진행하기에는 한계가 있었다. 이를 보완하기 위해 연구진은 3차원 구조를 2차원 장 상피세포 모형으로 전환하는 기술을 개발했다.

2차원 모형은 소장 점막에 직접 접근하기 쉬우며, 실험 간 결과의 변이가 적다는 점에서 장점이 크다. 이 모형은 영양분 흡수 능력 평가, 독성 시험, 사료 첨가제 개발 등 다양한 연구에 활용이 가능하다. 특히, 가축 사료 효율성 검증과 안전성 평가에 실질적인 도움을 줄 것으로 기대된다.

이번 연구는 국내 동물생명공학 분야의 대표적인 학술지인 ‘한국동물생명공학회지’에 게재됐으며, 관련 특허(출원번호 10-2024-0014521)도 출원했다. 연구진은 이 기술이 동물실험을 대체할 수 있는 실용적 모델로 자리 잡을 것으로 보고 있다.

국립축산과학원은 돼지 소장 오가노이드와 이를 기반으로 한 2차원 상피세포 모형을 활용해, 가축 생산성 향상 연구를 비롯해 사료 내 유용 미생물 선발, 사료 안전성 평가 및 사료 첨가제 개발 등 다양한 분야에 적용할 방침이다.

체외 돼지 소장 오가노이드 실험 모델 개발은 돼지 소장에서 장선을 분리한 후, 3차원 배양 과정을 통해 소장 오가노이드를 제작했다. 줄기세포 배양에 최적화된 조건에서 세포가 주변 환경과 상호작용하며 성장하도록 유도하여 생체 조직과 유사한 3차원 세포 구조를 형성했다.

제작된 오가노이드는 유전자 발현 패턴 분석을 통해 실제 소장 조직과 높은 유사성을 보였다. 세포막 투과 실험에서는 다당류가 오가노이드 세포 내부로 흡수되며, 영양분 흡수 기능도 확인됐다.

생체 조직의 구조와 기능을 재현한 2차원 장 상피세포 모형은 소장 점막에 대한 접근성과 실험 반복성을 높였다. 이를 통해 영양분 흡수 및 독성 평가 실험 등 다양한 연구에 효과적으로 활용될 수 있다.

국립축산과학원은 이번 연구 결과를 기반으로 가축 실험을 대체하는 기술 개발에 지속적으로 노력할 계획이다. 동물실험의 윤리적 문제와 규제를 극복하면서 연구 효율성을 높이는 과학적 대안을 제시했다는 점에서 큰 의의가 있다.