Public Health Weekly Report 2025; 18(4): 197-221
Published online December 17, 2024
https://doi.org/10.56786/PHWR.2025.18.4.3
© The Korea Disease Control and Prevention Agency
고려은 , 나경인
, 성수민
, 강예지
, 정용애
, 안윤진 *
질병관리청 건강위해대응관 기후보건ㆍ건강위해대비과
*Corresponding author: 안윤진, Tel: +82-43-219-2950, E-mail: carotene@korea.kr
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담배사용 및 담배에 의한 간접 노출은 인구집단에 건강폐해를 일으키는 가장 주요한 원인으로 알려져 있다. 또한 기대 수명을 감소시키고 사망 위험을 증가시켜, 많은 금액의 사회경제적 비용을 발생시킨다고 보고되었다. 담배 시장의 변화로 신종담배는 소비자의 사용률을 증대시키고 있으며, 액상 니코틴과 향·맛을 증대시켜 담배 사용자에게 위해 인식을 감소시키는 것으로 인식되고 있으나 신종담배에서 배출되는 에어로졸은 무해한 수증기가 아닌 것으로 추측되고 있다. 그러나, 개인별 담배사용 행태에 따라 건강에 미치는 영향은 매우 달라질 수 있으며, 지금까지 밝혀진 발암물질 등 유해화학물질 함유량만으로는 인체 위해성을 평가할 수 없다. 이에 따라, 행태 조사 등을 기반으로 하는 행태·습성 변화를 파악하고, 유해물질의 인체 노출량에 따른 건강 영향 등 실험연구를 바탕으로 한 과학적 근거 확보가 지속되어야 한다. 최근 동물실험을 금지하는 세계적 경향에 따라, 시험관 내 시험법(in vitro)인 동물대체시험법이 제안되고 있다. 우리나라도 이러한 대체법에 대한 입법이 진행 중으로 흡연폐해 실험연구에도 적용 필요성을 검토할 필요가 있다. 이에, 장기 및 줄기세포에서 유래된 세포를 3차원으로 조직화한 오가노이드는 세포 간 상호작용, 세포의 발달, 항상성 및 질병 모델 등 조직 내 세포의 생활사를 연구할 수 있음을 확인하였으며, 폐-오가노이드를 흡연폐해 연구의 생물학적 도구로 활용할 수 있을 것으로 판단하였다. 이에, 폐-오가노이드를 활용한 흡연폐해 연구 현황을 파악하기 위해 체계적 문헌고찰을 통해 실험연구 기반 논문을 확인하였다. 이 연구들은 만성폐쇄성폐질환과 관련되어 있었고, ‘흡연이 폐-오가노이드 생성에 미치는 영향’ 및 ‘흡연으로 유도한 폐질환의 세부기전 연구’였다. 또한, 흡연폐해 연구에 적용가능한 폐질환 폐-오가노이드 모델 연구를 위해, 폐암, 만성폐쇄성폐질환, 폐섬유증 및 호흡기 바이러스 감염에 폐-오가노이드 적용한 연구사례를 고찰하였다. 향후 폐-오가노이드를 활용한 연구를 지속하여 흡연폐해 실험연구의 단점을 보완하고 흡연자의 행태 변화 및 체내 유해물질 노출량을 지속적으로 추적조사한 결과를 실험 모델에 적용시켜 나갈 계획이다.
주요 검색어 흡연폐해; 궐련담배; 전자니코틴전달장치; 폐오가노이드; 폐질환모델
기존에 흡연폐해 연구실험은 세포 모델 및 흡입 노출을 위한 동물실험으로 연구되어 왔다. 또한, 오가노이드는 세포-생체 기관 간 상호작용 및 동물실험의 윤리적 문제의 한계를 대체하기 위한 방법으로 알려져 있다.
폐-오가노이드는 구성 세포에 따라 재현 부위가 달라질 수 있으며, 화학물질, 유전자 발현 변화 유도 및 줄기세포를 활용하여 질환을 모방한 폐-오가노이드의 생성이 가능하다. 특히, 만성폐쇄성폐질환 및 폐암 관련 연구에서는 폐-오가노이드를 활용한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
폐의 복잡한 세포 구조와 세포 간 생화학적 교류를 재현할 수 있는 폐-오가노이드는 흡연으로 의한 주요 질환을 모방할 수 있어, 흡연폐해 연구에 활용될 가능성이 충분하다.
담배사용 및 담배에 의한 간접 노출은 인구집단에 건강폐해를 일으키는 가장 주요한 원인으로 알려져 있다(표 1). 폐암(lung cancer) 환자가 흡연을 지속하는 경우, 재발 위험이 높아지고, 치료에 대한 반응성이 낮아지는 등 질병 예후가 불량한 것으로 나타났다. 질병관리청의 「담배폐해통합보고서」에 의하면, 우리나라 연간 5만 8천여 명이 직접 흡연에 의한 폐암 등의 질환으로 사망하고 있으며, 연간 약 12조 원 이상의 사회경제적 비용이 발생하고 있다[1]. 우리나라는 국가금연정책 등 담배규제정책을 추진하여, 1998년대 66%에 육박하던 성인 남성의 궐련담배 흡연율이 2021년 기준 31%까지 감소하였다[2]. 그러나, 액상형 전자담배(2008년), 궐련형 전자담배(2017년) 등 신종담배의 출시가 지속되면서 담배 사용자의 행태 또한 급변하고 있다. 전자담배에서 니코틴 농도과 향·맛을 사용자가 자발적으로 조절할 수 있어 매력도 증가와 남용(의존도)을 높이고 있으며, 달콤한 맛과 향이 담배 사용자에게 위해 인식을 감소시키는 것과 관련이 있는 것으로 나타났다[3]. 질병관리청의 「담배폐해기획보고서: 신종담배」에 의하면, 우리나라 20대의 액상형 전자담배 사용률은 2013년 1%에서 2021년 기준 8%까지 증가하고, 궐련형 전자담배 사용률은 2021년 4.4억 갑 대비 2022년 5.4억 갑으로 21.3% 급증한 결과가 이를 뒷받침한다[4]. 그러나, 신종담배에서 배출되는 에어로졸은 무해한 수증기가 아니며, 니코틴, 카보닐 화합물, 휘발성 유기화합물, 프로필렌글리콜 및 가향·가미를 위한 첨가제가 포함된 것으로 알려져 궐련 담배와는 다른 유해물질이 발생할 것으로 추측하고 있다[4]. 또한, 최근에는 액상형 전자담배에 인위적 합성 과정을 통해 만들어진 합성 니코틴이 사용되고 있다[5]. 특히, 개인별 담배사용 행태에 따라 건강에 미치는 영향은 매우 달라질 수 있으며, 지금까지 밝혀진 발암물질 등 유해화학물질 함유량만으로는 인체 위해성을 평가할 수 없다. 이에 따라, 행태 조사 등을 기반으로 하는 행태·습성 변화를 파악하고, 유해물질의 인체 노출량에 따른 건강 영향 등 실험연구를 바탕으로 한 과학적 근거 확보가 지속되어야 한다.
분류 | 직접 노출에 의한 질병 | 간접 노출에 의한 질병 |
---|---|---|
암 | 폐암, 식도암, 두경부암, 췌장암, 위암, 대장암, 자궁경부암 등 | 폐암 |
심∙뇌혈관 질환 | 심근경색, 허혈성 심질환, 대동맥류, 심부전증, 질환성심정지, 뇌졸중, 뇌동맥류 등 | 관상동맥질환, 뇌졸중, 심장질환 심화 |
호흡기 질환 | 만성폐쇄성폐질환, 천식, 결핵 | 천식 및 폐질환 심화, 청소년 폐기능 부전, 감기, 폐렴, 급성 하기도질환 등 |
소화기 질환 | 크론병, 과민성대장증후군, 위식도 역류질환 등 | - |
생식 질환 | 선천성 기형, 태아발달 장애, 임신 중 고혈압성 질환, 남성 성기능 장애 | 여성 생식기능 저하, 영아돌연사증후군 위험도 증가 |
안질환 | 백내장, 황반변성 발생위험 증대 | - |
기타 | 치주질환, 당뇨병, 류마티스 관절염 | 중이염 위험 증가 |
현재까지의 흡연폐해 실험연구는 세포기반과 동물실험을 이용한 흡입독성평가가 다수이다. 그러나 미국과 유럽은 동물시험을 ‘시험관 내 실험(in vitro)’인 동물대체시험으로 입증하도록 법률을 개정하였으며, 우리나라도 ‘동물대체시험법 제정안’ 입법이 진행 중으로, 동물대체시험법에 대해 심층적으로 검토되어야 한다. 이에, 제안된 동물대체시험법 중 흡연폐해를 적용할 수 있는 연구 모델로는 장기 및 줄기세포에서 유래된 세포를 3차원(three-dimensional, 3D)으로 조직화한 오가노이드로 세포 간 상호작용, 세포의 발달, 항상성 및 질병 모델 등 조직 내 세포의 생활사를 연구할 수 있음을 확인하였고[6], 폐-오가노이드(lung organoids)를 이용한 흡연폐해 및 폐질환 모델로써 연구사례를 정리하였다.
폐-오가노이드를 활용한 흡연폐해 연구의 현황을 대표적 의료계 데이터베이스인 펍메드(PubMed)에서 키워드를 활용하여 검색하였다. 최근 10년간 발표된 연구사례 중 폐-오가노이드 및 흡연 관련 영문 표현(smoke 또는 cigarette)을 포괄하여 검색하였으며, 검색 방법은 ‘체계적 문헌고찰’을 바탕으로 수행하였다[7]. 연구사례 중 폐-오가노이드로 검색하였을 때 1,327편의 연구논문이 검색되었으나, 흡연(smoke) 또는 담배(cigarette) 검색어를 추가하여 검색하였을 때 26편의 논문이 검색되었다. 이후 ‘제목’, ‘초록’ 및 ‘본문’을 차례대로 확인한 결과, 폐-오가노이드를 활용하여 흡연폐해를 실험적으로 확인한 논문은 6편이었다(그림 1). 폐-오가노이드와 흡연을 복합적으로 수행한 연구는 폐암 및 만성폐쇄성폐질환(chronic obstructive pulmonary disease, COPD)과 관련되어 있었고, ‘흡연이 폐-오가노이드 생성에 미치는 영향’ 및 ‘흡연으로 유도한 폐질환의 세부기전 연구’를 확인하였다.
폐암과 관련된 연구사례의 구체적인 내용으로는, 3개월간 간헐적으로 담배 연기를 노출시킨 실험동물(마우스)에서 폐선암(lung adenocarcinoma)과 함께 심각한 폐기종이 유발됨을 확인하였다. 이 실험동물의 폐 조직을 분리하여 폐-오가노이드를 형성하였을 때, 지속적으로 담배 연기를 노출시킨 실험군에 비해 간헐적으로 담배 연기를 노출시킨 실험군에서 효율성이 증가됨을 확인하였다. 이는 담배 주류연에 직접 노출되었던 마우스에서 유래한 폐포-제2형세포에서 지방산 산화(fatty acid oxidation)가 유도되어 폐-세포의 줄기세포화(stemness)1)에 작용한 것으로 확인하였다. 이는 잠재적으로 종양의 악성도와 양의 상관관계에 있음을 확인한 연구사례이다[8,9]. 또한, 담배 연기에 노출된 마우스에서 분리한 세포로 구성한 폐-오가노이드에서 폐기종이 유발되는 기전을 확인하였고[10], 담배 연기 노출이 폐-상피세포의 정상적인 증식과 회복, 폐포-제2형세포의 분화 및 오가노이드 형성을 억제함을 확인하였다[11].
COPD와 관련된 연구사례의 구체적인 내용으로는, 담배 연기에 노출된 마우스의 태아로부터 유도한 마우스 폐-오가노이드에서 COPD와 유사한 질병이 유발됨을 확인하여, 태중 담배 연기 노출이 신생아의 COPD 유발에 관련이 있음을 폐-오가노이드를 활용하여 확인하였다[12]. 인간과 마우스의 폐-오가노이드에 담배주류연추출물(cigarette smoke extract)을 14일간 노출시켜 폐포-오가노이드의 크기와 수가 유의하게 감소함을 확인하여, 담배 연기에 노출된 폐의 복구에 관여하는 기전을 연구하였다[13]. 한 연구에서는 COPD 환자의 폐와 담배연기에 노출된 마우스의 폐에서 종양억제유전자인 LKB1 (liver kinase B1)의 발현이 감소함을 확인하였다. 이를 바탕으로 폐-오가노이드 배양연구에서 LKB1의 발현을 억제시켰을 때, 기도 내 세포분화와 대식세포를 유도하는 유전자의 발현이 촉진됨을 입증하였다. 이는 생체 내에서 기도 내 점액을 과분비시키고 과도한 세포의 증식이 유발되는 기전과 관련이 있음을 확인하여, 흡연자 및 COPD와 LKB1 유전자 발현의 상관성을 시사하였다[14].
이와 같이 폐-오가노이드와 담배사용에 관한 연구 현황은 폐암과 COPD 관련 사망자의 약 90%가 담배 사용자임을 뒷받침하듯이[15], 두 질환에 집중되어 있었다. 이는 흡연으로 인한 폐 손상의 근본적인 메커니즘을 이해하기 위해 COPD 질환과 폐암 유발기전을 폐-오가노이드를 활용하여 연구한 것으로 파악되었다.
짧은 세포 주기의 세포 모델, 미세환경 제어에 한계가 있는 기액계면세포배양, 전문가와 첨단기술이 필요한 장기칩, 장기 및 혈관 기능 모방이 불가한 스페로이드 모델과 동물시험의 윤리적, 경제적, 인체와 종간 이질성 문제를 고려하였을 때, 오가노이드는 장기의 구조 및 기능적 측면의 재현성과 다양한 유형의 세포가 존재한다는 점으로 인해 다방면의 인체 위해성을 평가하기에 적합한 모델이다(표 2) [16]. 특히, 폐-오가노이드는 호흡계 조직의 위치마다 다르게 존재하는 세포를 활용하여, 폐포의 구조, 점액 분비, 섬모 운동, 재생능력 등의 특징을 갖는 조직(그림 2)이므로, 흡연에 의해 가장 먼저 손상되는 폐를 연구하기 위한 모델로 폐-오가노이드에 주목하였다[17]. 이에, 폐암, COPD, 폐섬유증(pulmonary fibrosis, PF) 및 감염성 폐질환과 같은 주요 폐질환 연구 중 폐-오가노이드를 활용한 연구사례를 바탕으로, 흡연폐해 연구에 적용할 가능성을 체계적 문헌고찰을 하였다.
분류 | 장점 | 단점 |
---|---|---|
세포 모델(2D cell lines) | 경제적인 시험비용 재현성의 용이함 시험 방법이 간단하고 쉬움 짧은 시간 내 시험 가능 고속대량스크리닝(HTS) 용이 | 일차세포의 완벽한 모방 불가 유전적으로 불안정함 짧은 세포 분열 및 사멸주기로 시험의 한계 기원종 및 기원장기의 제한 바이러스 침입·복제에 대한 낮은 민감성 기질, 혈관, 염증 세포 등 부재로 상호작용 확인 불가 |
기액계면세포배양(air-liquid interface) | 인체 조직장벽의 구조와 기능 모방 가능 피부독성 등 일부 동물실험의 대안으로 활용 에어로졸 노출연구 시 현실적인 조건 반영 가능 | 배양 및 시험 방법의 비표준화 생체 내 구조 재현 불가 배양 및 시험 시, 미세환경 제어의 한계 |
장기칩(organ-on-a-chip) | 배양 및 시험 시, 미세환경의 통제 가능 장기-모세혈관 간 작용 모방 가능 | 배양 및 시험 방법의 비표준화 전문가, 첨단기술 및 장기적 시간 필요 복잡한 설계 및 제조로 비싼 비용 소모 HTS 불가 |
스페로이드(spheroids) | 세포 간 상호작용 확인 가능 용이한 재현성 HTS 가능 | 균일한 크기 조절의 어려움 장기 및 혈관 기능 모방 불가 배양 방법의 복잡함 |
동물 모델(animal models) | 인간과 생리적 유사성으로 질병의 원인 이해 가능 기질, 혈관, 염증세포와의 상호작용 확인 가능 | 고비용 및 관리 인력의 필요 시험에 장기적 시간 필요 생명윤리적 문제의 대두 인간과 유전적, 해부학적 차이점 존재 |
오가노이드(organoids) | 주요 장기의 구조 및 기능적 측면 재현 가능 질병 모델링 가능 다양한 유형의 세포 존재 가능 유전체적 안정성 장기간 바이오뱅크 보관 가능 기원종의 특성 보유 가능 HTS 가능 | 배양 방법의 비표준화 혈관 및 면역시스템 재현 부족 미세환경 제어의 한계 영양소 및 대사산물의 오가노이드 내부 확산의 한계 |
2D=two-dimensional; HTS=high-throughput screening.
폐암은 세계적으로 암 관련 사망의 주요 원인이며, 흡연은 폐암의 주요 위험요인이다. 특히, 담배 연기의 발암물질 및 독성물질은 폐의 모든 부위에 영향을 미친다. 중독을 유발하고 유전독성 및 면역체계에 영향을 미치는 니코틴, 니코틴에서 유래된 담배특이물질로 생식능력을 감소시키는 니트로사민류(nitrosamine), 돌연변이 유발물질인 다환방향족탄화수소(polycyclic aromatic hydrocarbons), 뼈의 손상을 유발하고 생식기능을 저하시키는 벤젠류(benzene) 및 기도와 피부에 자극을 유발하는 아세트알데하이드(acetaldehyde)와 같은 담배 연기 내 발암물질이 인간에 미치는 유해한 영향은 다수의 연구를 통해 확인되었다[18-21]. 그러나, 폐암의 유발 및 치료기전은 매우 다양하고 복잡하기 때문에 지속적인 연구가 필요하며, 이를 위해 동물실험(in vivo)을 대체할 수 있는 시험관 내 시험방법으로 폐-오가노이드 연구사례를 정리하였다.
그림 1에서 제시한 ‘체계적 문헌고찰’을 통해, 최근 10년간 발표된 연구사례 중 폐-오가노이드 및 암(cancer)을 포괄하여 검색하였다. 총 611편의 연구논문이 검색되었고, 문헌고찰 논문을 제외하고 ‘제목’, ‘초록’ 및 ‘본문’을 차례대로 확인하여 적합 여부가 확인된 실험 논문은 42편이었으며, 상세내용은 다음과 같다.
폐암-오가노이드 관련한 논문은 비소세포폐암(non-small cell lung cancer) [22,23], 폐선암 [24,25] 및 평편세포폐암(squamous cell lung cancer) [26]과 같은 폐암세포주 또는 폐암 환자의 폐 조직을 활용하여 폐암-오가노이드를 형성하고 효율적으로 배양하는 방법을 제시한 것이었다[27-31]. 대부분의 논문에서는 폐암-오가노이드 모델을 활용하여 폐암 치료를 위한 약물의 후보 선정을 위해 대량스크리닝에 활용한 사례 및 방법을 제시하거나[32-39], 항암제(cisplatin [40], pyrotinib [41], alectinib [42], halofuginone [43] 등)가 작용하는 상세기전을 확인한 사례가 대부분이었다. 특히, 폐암 환자 유래 폐암-오가노이드를 활용하여 환자에게 최적화된 치료 방법을 찾기 위한 수단으로써 가능성을 확인하고, 임상 치료의 적용 가능성을 제시한 연구사례도 있었다[44,45]. 그 외에 폐암-오가노이드의 전형적인 특징을 연구한 사례[46,47], 질병 모델로써 가능성을 확인한 연구사례[48,49] 및 체내 면역과의 연관성을 연구한 사례[50]를 확인하였다.
폐암-오가노이드는 기원종의 유전적 발현 정보 유지가 용이하고 암 조직의 구조와 미세환경의 재현이 가능한 특징이 있어, 암 조직의 복잡성과 환자별 치료 방식 연구에 활발히 활용되고 있었다. 이과 같은 특징을 환자 유래 폐암-오가노이드를 활용하여 흡연이 폐암의 발달에 미치는 영향 연구에 적용 시, 다양한 유전적 특징을 바탕으로 연구가 가능하고 폐암의 발달 단계에 미치는 상세기전을 연구하기 위한 적합한 모델로 기대된다.
COPD는 만성 기관지염, 폐기종, 점액의 과다분비 등의 증상을 동반하고, 폐포의 실질 조직이 손상되는 복잡한 폐질환이다. 이 질환의 새로운 치료 및 약물 개발은 주로 전임상 모델에 의존하고 있으나, 전임상의 제한점, 높은 비용 및 인간 폐의 구조적 복합성으로 재현성이 떨어지기 때문에, 연구의 한계점이 있다[51]. 이에, 폐-오가노이드를 활용하여 COPD 발병 기전을 연구하고 있다. 이를 ‘체계적 문헌고찰’을 통해, 최근 10년간 발표된 연구사례 중 폐-오가노이드 및 COPD를 포괄하여 검색하였다. 총 57편의 연구논문이 검색되었고, 최종 적합 여부가 확인된 실험 논문은 22편이었다. 상세내용은 다음과 같다.
COPD와 관련한 많은 연구는 폐포-제2형세포를 활용하여 폐-오가노이드를 형성하였고, 폐-오가노이드의 유전자 발현(rho-kinase 1/2 [52], frizzle receptor 4 [11], mitogen-activated protein kinase 13 [53,54], interleukin-1β [55], interleukin-11 [56], receptor-interacting protein kinase 3 [57], WNT-5A/5B [58], LL-37 [59] 등)을 억제시켰을 때, 섬유아세포의 능력 손실, 손상된 폐세포의 복구 능력 감소 및 폐세포의 변형이 증가함을 확인하였다. 한 연구에서 COPD 환자로부터 분리한 세포로 비인두 및 기관지 유래 COPD-폐-오가노이드를 확립하였는데, 이 모델은 배상세포의 과형성과 섬모운동의 감소, 바이러스 및 박테리아 노출에 취약한 COPD의 전형적인 특징을 재현하였다[56]. 다른 연구에서는 폐 낭포성 섬유증 환자의 조직에서 폐 전구체세포(lung progenitor cell)2)를 분리하여 COPD-폐-오가노이드 모델을 확립하였다[60]. 또한, 섬유에서 유래된 흡입 가능한 플라스틱은 기도의 상피세포 분화를 억제하기 때문에 폐세포의 복구가 어려워져 COPD가 유발될 수 있음을 확인하였다[61].
‘체계적 문한고찰’을 통해 확인한 대다수의 연구사례에서는 폐 조직의 구조 이상은 매우 다양하게 나타나고 PF와 유사하게 해석하기 때문에, 폐세포 변형과 기능의 감소가 COPD로 이어질 가능성으로 제시하였다. 이에, 폐-오가노이드에 담배 주·부류연을 노출한 후, 세포의 변형 및 기능이 감소됨을 확인한다면, 흡연에 의한 COPD 유발기전을 다양한 각도에서 증명할 수 있을 것이다.
PF는 반복적인 폐 상피 손상으로 인해 폐 조직이 굳어(섬유화) 심각한 호흡 장애가 발생하는 폐질환이다. 약물로 섬유화 진행을 늦출 수 있지만, 손상된 폐 세포를 완전히 회복시킬 수는 없다. 특히, PF는 흡연에 의해 발생하는 것으로 알려진 대표적인 폐질환 중 하나이다[62]. 이를 ‘체계적 문헌고찰’을 통해, 최근 10년간 발표된 연구사례 중 폐-오가노이드 및 PF를 포괄하여 검색하였다. 총 137편의 연구논문이 검색되었고, 최종 적합 여부가 확인된 실험 논문은 42편이었다. 많은 연구에서 COPD와 PF를 유사한 기전으로 묶어 연구하였기 때문에, 중복되는 내용을 제외하여 고찰하였다. 상세내용은 다음과 같았다.
PF 연구사례는 COPD와 유사하게 폐포-제2형세포를 활용하여 폐-오가노이드를 형성하여 활용하였다[63]. 그러나 광범위한 세포외 기질(extracellular matrix, ECM)의 축적, 폐포의 회복 불가 및 세포의 노화 등을 특징으로 하는 만성 진행성 질환이라는 점으로 COPD와 구별한다[64]. PF를 유발한 연구사례에서는 항암 작용이 있는 항생제인 블레오마이신(bleomycin)과 전환성장인자베타(transforming growth factor-beta, TGF-β)를 주로 사용하였다. 블레오마이신을 처리한 폐-오가노이드에서 상피세포를 매개한 섬유아세포의 활성화 및 세포노화에 관련된 PF의 병리학적 특징이 재현되었다[65]. 또한, 폐포상피세포에 TGF-β를 노출하면, 상피-중간엽전이(epithelial-mesenchymal transition, EMT)가 발생하여 PF의 시작됨을 확인하였다[66]. 다른 질환 연구사례와 구별되는 특징은 바이오프린팅을 활용하여 3D PF 모델의 확립이 가능한 것이었다. 바이오프린팅을 활용하여 3D 폐포장벽 모델을 만든 후, 섬유증을 유발하는 사이토카인을 노출시킴으로써, 구조적 변화, 폐세포의 기능 저하 및 EMT가 유발되어 섬유증 모델로 적합함을 확인하였다[67].
폐-오가노이드를 활용한 PF 모델의 확립 연구가 다양한 각도에서 이루어져 있었고, 특히 오가노이드 모델의 단점을 보완할 수 있도록 바이오프린팅을 활용하여 일정한 PF 모델을 구현할 수 있는 연구가 진행되었다. 그러나, PF가 흡연에 의해 유발되는 만성폐질환임과 관련한 상세기전을 연구한 사례가 확인되지 않아 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
흡연에 의한 영향은 폐포까지 미치기 때문에 폐포-제2형세포에 손상을 유발하는 것으로 알려져 있다. 바이러스도 주로 기도 상피세포와 폐포-제2형세포를 주요 표적으로 삼아 그 영향이 가중될 수 있다. 특히, 담배 연기는 면역체계의 정상적인 기능을 방해하여 바이러스 감염(viral infection)에 대한 항바이러스 능력을 억제하는 것으로 연구되었다[68]. 이를 ‘체계적 문헌고찰’을 통해, 최근 10년간 발표된 연구사례 중 폐-오가노이드 및 바이러스 감염을 포괄하여 검색하였다. 총 156편의 연구논문이 검색되었고, 최종 적합 여부가 확인된 실험 논문은 63편이었다.
폐-오가노이드 모델을 활용한 호흡기 바이러스 감염 관련 최근 연구사례는 중증급성호흡기증후군 코로나바이러스 2 (severe acute respiratory syndrome coronavirus 2, SARS-CoV-2) 관련 논문이 대부분이었다. 폐-오가노이드 모델에 SARS-CoV-2를 감염시켜 바이러스 감염 모델을 확립하고, 이에 발생하는 세포의 구조적 변화와 유전자 및 단백질의 발현 변화도 관찰하였다. 담배 연기의 한 성분인 benzo[a]pyrene은 폐-오가노이드와 폐포-제2형세포의 SARS-CoV-2의 감염에 대한 감수성을 높임을 확인하였다[69]. 또한, 호흡기세포융합바이러스(respiratory syncytial virus, RSV)에 감염된 인간 폐-오가노이드가 상피 및 세포골격의 변형, 세포융합체 형성 등 생체 내 병리적 변화를 재현하여 상세기전을 확인하였다[70]. 다른 연구에서 RSV 감염과 미세먼지(particulate matter, PM)의 상관관계를 연구한 결과, RSV에 감염된 폐-오가노이드에서 PM 노출에 의해 DNA 손상 및 세포사멸이 증가함을 확인하였다[71]. 이러한 연구사례는 바이러스에 감염이 되어있는 폐 조직에 외부 스트레스가 가해지면, 심각한 폐 손상을 일으킬 수 있음을 시사한다. 이러한 연구는 폐-오가노이드가 폐의 구조를 재현하는 능력이 있어, 바이러스와 숙주 간 상호작용에 따른 세포의 반응 연구에 적합함을 뒷받침하는 사례이다[72].
흡연과 바이러스의 주요 표적이 폐포-제2형세포이라는 공통점은 폐포-제2형세포를 활용한 폐-오가노이드 모델을 활용할 충분한 가치가 있음을 시사한다. 특히, 흡연자는 다량의 PM에 노출되며 PM의 입자 크기에 따라 독성반응이 다르게 나타나는 것으로 보고된 내용[73]과 RSV에 감염된 폐-오가노이드의 PM 노출에 의해 세포사멸이 증가한다는 연구사례는 흡연과 호흡기 바이러스 감염과의 연관성 연구의 필요성을 뒷받침한다. 이와 같이, 폐-오가노이드를 활용하여 흡연과 호흡기 바이러스 감염 관련 연구의 필요성을 확인하였다.
흡연은 다양한 질환을 유발하는 것으로 알려져 있으나, 동물실험과 세포를 활용한 상세기전의 연구에는 물리적, 윤리적, 생리학적, 생물학적 한계가 존재하였다. 이러한 한계를 보완한 모델로 오가노이드를 제안하였고, 흡연폐해가 1차적으로 발생하는 폐를 주요 표적장기로 고찰하였다. 폐-오가노이드를 활용한 흡연폐해 연구 현황을 파악한 결과, 주로 폐암 및 COPD 관련 오가노이드 모델을 활용하여 수행되었으나, 동물실험을 동반하였거나 다양한 형태의 폐질환-오가노이드가 사용되지 않았다. 폐암과 COPD 관련 사망자의 비율이 상당히 높은 것에 비해 다양한 연구가 수행되지 않은 것으로 파악되었다. 이에, 폐암, COPD, PF 및 감염성 폐질환 등 주요 폐질환에 대해 폐-오가노이드를 활용한 연구사례를 바탕으로 흡연폐해 연구에 적용할 가능성을 고찰하였다.
그 결과, 폐암세포를 활용하여 폐 조직을 구조적으로 모방한 폐암-오가노이드와 환자 유래 폐 조직을 활용한 폐암 환자 유래 폐암-오가노이드 연구사례가 대부분이었다. 이를 활용하여 효과적인 치료 방법을 위해 항암제 스크리닝 및 임상 적용 가능성에 대한 연구가 수행되었다. 또한, COPD 환자 조직과 유사한 형태의 COPD-오가노이드 모델을 확립하여 연구에 활용한 사례를 확인할 수 있었으며, 이를 통해 COPD 유발에 미치는 유전자의 종류와 세포의 기능적인 특성을 확인할 수 있었다. PF는 COPD와 함께 연구된 사례가 많았으나, 세포의 기능적 변화보다는 ECM 축적, 폐포 회복의 불가 및 노화 등의 특징을 나타내었다. PF를 유발하는 주요 화학물질을 확인하였고, 3D 바이오프린팅 기술이 제안되어 오가노이드의 단점을 보완할 수 있는 모델로 기대되었다. 최근 SARS-CoV-2의 전 세계적 유행에 의해 폐-오가노이드를 활용한 연구가 매우 활발히 진행된 것이 특징적이었다. 특히, RSV 감염과 PM의 상관관계를 다룬 연구가 있어, 흡연 시 다량 발생하는 PM (타르를 포함한 PM) 연구의 필요성을 확인할 수 있었다. 이러한 폐암, COPD, PF 및 바이러스 감염성 폐질환을 모델링한 폐-오가노이드를 활용한 다양한 연구사례는 궐련 및 신종담배에 의한 흡연폐해 실험연구에 다양하게 활용될 가능성을 뒷받침하였다.
이에, 질병관리청 흡연폐해세포실험실에서는 흡연폐해 연구에 흡연과 관련된 폐질환을 모방한 폐-오가노이드 모델을 확립하고자 폐암 환자 유래 폐-오가노이드의 생물학적 마커를 확인하기 위한 연구를 수행한 바 있다. 이 연구에서 실제 폐암 환자의 수술 조직에서 유래한 오가노이드를 분리하여 배양 조건을 최적화하여 원발암성 종양임을 확인하고, 폐세포의 특징인 섬모(cilia) 등을 확인하였으며, 차세대 염기서열 분석법을 통해 폐-오가노이드 및 폐암-오가노이드 구축을 검증하였다. 본 연구를 시작으로 그동안 수행되었던 세포 및 동물을 활용한 흡연폐해 연구의 단점을 보완하기 위해 폐-오가노이드 활용한 연구를 지속적으로 적용하고, 사용 목적, 사용 횟수, 제품의 종류, 흡입 습관 등 개인별 사용 행태에 따라 유해물질 흡입량이 달라져 건강에 미치는 영향이 달라질 수 있으므로, 흡연자의 행태 변화 및 체내 유해물질 노출량을 지속적으로 추적조사한 결과를 반영하여 흡연폐해 실험 모델에 적용시켜 나갈 계획이다.
1) 줄기세포화(stemness): 대부분의 조직은 손상을 입었을 때 이를 회복할 수 있는 제한 횟수의 능력을 갖고 있으나, 과도하게 발현될 경우 무한한 자가증식능력(self-renewal) 이 유도된다고 보고됨. 이에, 암과 줄기세포가 아닌 세포에서 줄기세포화가 유도될 경우, 암으로의 발달 가능성이 높아짐을 의미함.
2) 폐 전구체세포(lung progenitor cell): 최종적으로 기능을 갖는 폐세포로 분화하기 전 단계의 세포를 의미함.
Ethics Statement: Not applicable.
Funding Source: None.
Acknowledgments: None.
Conflict of Interest: The authors have no conflicts of interest to declare.
Author Contributions: Conceptualization: REG. Data curation: SMS, YJK, YAJ. Supervision: YJA. Writing – original draft: REG. Writing – review & editing: KIN, YJA, REG.
Public Health Weekly Report 2025; 18(4): 197-221
Published online January 23, 2025 https://doi.org/10.56786/PHWR.2025.18.4.3
Copyright © The Korea Disease Control and Prevention Agency.
고려은 , 나경인
, 성수민
, 강예지
, 정용애
, 안윤진 *
질병관리청 건강위해대응관 기후보건ㆍ건강위해대비과
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담배사용 및 담배에 의한 간접 노출은 인구집단에 건강폐해를 일으키는 가장 주요한 원인으로 알려져 있다. 또한 기대 수명을 감소시키고 사망 위험을 증가시켜, 많은 금액의 사회경제적 비용을 발생시킨다고 보고되었다. 담배 시장의 변화로 신종담배는 소비자의 사용률을 증대시키고 있으며, 액상 니코틴과 향·맛을 증대시켜 담배 사용자에게 위해 인식을 감소시키는 것으로 인식되고 있으나 신종담배에서 배출되는 에어로졸은 무해한 수증기가 아닌 것으로 추측되고 있다. 그러나, 개인별 담배사용 행태에 따라 건강에 미치는 영향은 매우 달라질 수 있으며, 지금까지 밝혀진 발암물질 등 유해화학물질 함유량만으로는 인체 위해성을 평가할 수 없다. 이에 따라, 행태 조사 등을 기반으로 하는 행태·습성 변화를 파악하고, 유해물질의 인체 노출량에 따른 건강 영향 등 실험연구를 바탕으로 한 과학적 근거 확보가 지속되어야 한다. 최근 동물실험을 금지하는 세계적 경향에 따라, 시험관 내 시험법(in vitro)인 동물대체시험법이 제안되고 있다. 우리나라도 이러한 대체법에 대한 입법이 진행 중으로 흡연폐해 실험연구에도 적용 필요성을 검토할 필요가 있다. 이에, 장기 및 줄기세포에서 유래된 세포를 3차원으로 조직화한 오가노이드는 세포 간 상호작용, 세포의 발달, 항상성 및 질병 모델 등 조직 내 세포의 생활사를 연구할 수 있음을 확인하였으며, 폐-오가노이드를 흡연폐해 연구의 생물학적 도구로 활용할 수 있을 것으로 판단하였다. 이에, 폐-오가노이드를 활용한 흡연폐해 연구 현황을 파악하기 위해 체계적 문헌고찰을 통해 실험연구 기반 논문을 확인하였다. 이 연구들은 만성폐쇄성폐질환과 관련되어 있었고, ‘흡연이 폐-오가노이드 생성에 미치는 영향’ 및 ‘흡연으로 유도한 폐질환의 세부기전 연구’였다. 또한, 흡연폐해 연구에 적용가능한 폐질환 폐-오가노이드 모델 연구를 위해, 폐암, 만성폐쇄성폐질환, 폐섬유증 및 호흡기 바이러스 감염에 폐-오가노이드 적용한 연구사례를 고찰하였다. 향후 폐-오가노이드를 활용한 연구를 지속하여 흡연폐해 실험연구의 단점을 보완하고 흡연자의 행태 변화 및 체내 유해물질 노출량을 지속적으로 추적조사한 결과를 실험 모델에 적용시켜 나갈 계획이다.
Keywords: 흡연폐해, 궐련담배, 전자니코틴전달장치, 폐오가노이드, 폐질환모델
기존에 흡연폐해 연구실험은 세포 모델 및 흡입 노출을 위한 동물실험으로 연구되어 왔다. 또한, 오가노이드는 세포-생체 기관 간 상호작용 및 동물실험의 윤리적 문제의 한계를 대체하기 위한 방법으로 알려져 있다.
폐-오가노이드는 구성 세포에 따라 재현 부위가 달라질 수 있으며, 화학물질, 유전자 발현 변화 유도 및 줄기세포를 활용하여 질환을 모방한 폐-오가노이드의 생성이 가능하다. 특히, 만성폐쇄성폐질환 및 폐암 관련 연구에서는 폐-오가노이드를 활용한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
폐의 복잡한 세포 구조와 세포 간 생화학적 교류를 재현할 수 있는 폐-오가노이드는 흡연으로 의한 주요 질환을 모방할 수 있어, 흡연폐해 연구에 활용될 가능성이 충분하다.
담배사용 및 담배에 의한 간접 노출은 인구집단에 건강폐해를 일으키는 가장 주요한 원인으로 알려져 있다(표 1). 폐암(lung cancer) 환자가 흡연을 지속하는 경우, 재발 위험이 높아지고, 치료에 대한 반응성이 낮아지는 등 질병 예후가 불량한 것으로 나타났다. 질병관리청의 「담배폐해통합보고서」에 의하면, 우리나라 연간 5만 8천여 명이 직접 흡연에 의한 폐암 등의 질환으로 사망하고 있으며, 연간 약 12조 원 이상의 사회경제적 비용이 발생하고 있다[1]. 우리나라는 국가금연정책 등 담배규제정책을 추진하여, 1998년대 66%에 육박하던 성인 남성의 궐련담배 흡연율이 2021년 기준 31%까지 감소하였다[2]. 그러나, 액상형 전자담배(2008년), 궐련형 전자담배(2017년) 등 신종담배의 출시가 지속되면서 담배 사용자의 행태 또한 급변하고 있다. 전자담배에서 니코틴 농도과 향·맛을 사용자가 자발적으로 조절할 수 있어 매력도 증가와 남용(의존도)을 높이고 있으며, 달콤한 맛과 향이 담배 사용자에게 위해 인식을 감소시키는 것과 관련이 있는 것으로 나타났다[3]. 질병관리청의 「담배폐해기획보고서: 신종담배」에 의하면, 우리나라 20대의 액상형 전자담배 사용률은 2013년 1%에서 2021년 기준 8%까지 증가하고, 궐련형 전자담배 사용률은 2021년 4.4억 갑 대비 2022년 5.4억 갑으로 21.3% 급증한 결과가 이를 뒷받침한다[4]. 그러나, 신종담배에서 배출되는 에어로졸은 무해한 수증기가 아니며, 니코틴, 카보닐 화합물, 휘발성 유기화합물, 프로필렌글리콜 및 가향·가미를 위한 첨가제가 포함된 것으로 알려져 궐련 담배와는 다른 유해물질이 발생할 것으로 추측하고 있다[4]. 또한, 최근에는 액상형 전자담배에 인위적 합성 과정을 통해 만들어진 합성 니코틴이 사용되고 있다[5]. 특히, 개인별 담배사용 행태에 따라 건강에 미치는 영향은 매우 달라질 수 있으며, 지금까지 밝혀진 발암물질 등 유해화학물질 함유량만으로는 인체 위해성을 평가할 수 없다. 이에 따라, 행태 조사 등을 기반으로 하는 행태·습성 변화를 파악하고, 유해물질의 인체 노출량에 따른 건강 영향 등 실험연구를 바탕으로 한 과학적 근거 확보가 지속되어야 한다.
분류 | 직접 노출에 의한 질병 | 간접 노출에 의한 질병 |
---|---|---|
암 | 폐암, 식도암, 두경부암, 췌장암, 위암, 대장암, 자궁경부암 등 | 폐암 |
심∙뇌혈관 질환 | 심근경색, 허혈성 심질환, 대동맥류, 심부전증, 질환성심정지, 뇌졸중, 뇌동맥류 등 | 관상동맥질환, 뇌졸중, 심장질환 심화 |
호흡기 질환 | 만성폐쇄성폐질환, 천식, 결핵 | 천식 및 폐질환 심화, 청소년 폐기능 부전, 감기, 폐렴, 급성 하기도질환 등 |
소화기 질환 | 크론병, 과민성대장증후군, 위식도 역류질환 등 | - |
생식 질환 | 선천성 기형, 태아발달 장애, 임신 중 고혈압성 질환, 남성 성기능 장애 | 여성 생식기능 저하, 영아돌연사증후군 위험도 증가 |
안질환 | 백내장, 황반변성 발생위험 증대 | - |
기타 | 치주질환, 당뇨병, 류마티스 관절염 | 중이염 위험 증가 |
현재까지의 흡연폐해 실험연구는 세포기반과 동물실험을 이용한 흡입독성평가가 다수이다. 그러나 미국과 유럽은 동물시험을 ‘시험관 내 실험(in vitro)’인 동물대체시험으로 입증하도록 법률을 개정하였으며, 우리나라도 ‘동물대체시험법 제정안’ 입법이 진행 중으로, 동물대체시험법에 대해 심층적으로 검토되어야 한다. 이에, 제안된 동물대체시험법 중 흡연폐해를 적용할 수 있는 연구 모델로는 장기 및 줄기세포에서 유래된 세포를 3차원(three-dimensional, 3D)으로 조직화한 오가노이드로 세포 간 상호작용, 세포의 발달, 항상성 및 질병 모델 등 조직 내 세포의 생활사를 연구할 수 있음을 확인하였고[6], 폐-오가노이드(lung organoids)를 이용한 흡연폐해 및 폐질환 모델로써 연구사례를 정리하였다.
폐-오가노이드를 활용한 흡연폐해 연구의 현황을 대표적 의료계 데이터베이스인 펍메드(PubMed)에서 키워드를 활용하여 검색하였다. 최근 10년간 발표된 연구사례 중 폐-오가노이드 및 흡연 관련 영문 표현(smoke 또는 cigarette)을 포괄하여 검색하였으며, 검색 방법은 ‘체계적 문헌고찰’을 바탕으로 수행하였다[7]. 연구사례 중 폐-오가노이드로 검색하였을 때 1,327편의 연구논문이 검색되었으나, 흡연(smoke) 또는 담배(cigarette) 검색어를 추가하여 검색하였을 때 26편의 논문이 검색되었다. 이후 ‘제목’, ‘초록’ 및 ‘본문’을 차례대로 확인한 결과, 폐-오가노이드를 활용하여 흡연폐해를 실험적으로 확인한 논문은 6편이었다(그림 1). 폐-오가노이드와 흡연을 복합적으로 수행한 연구는 폐암 및 만성폐쇄성폐질환(chronic obstructive pulmonary disease, COPD)과 관련되어 있었고, ‘흡연이 폐-오가노이드 생성에 미치는 영향’ 및 ‘흡연으로 유도한 폐질환의 세부기전 연구’를 확인하였다.
폐암과 관련된 연구사례의 구체적인 내용으로는, 3개월간 간헐적으로 담배 연기를 노출시킨 실험동물(마우스)에서 폐선암(lung adenocarcinoma)과 함께 심각한 폐기종이 유발됨을 확인하였다. 이 실험동물의 폐 조직을 분리하여 폐-오가노이드를 형성하였을 때, 지속적으로 담배 연기를 노출시킨 실험군에 비해 간헐적으로 담배 연기를 노출시킨 실험군에서 효율성이 증가됨을 확인하였다. 이는 담배 주류연에 직접 노출되었던 마우스에서 유래한 폐포-제2형세포에서 지방산 산화(fatty acid oxidation)가 유도되어 폐-세포의 줄기세포화(stemness)1)에 작용한 것으로 확인하였다. 이는 잠재적으로 종양의 악성도와 양의 상관관계에 있음을 확인한 연구사례이다[8,9]. 또한, 담배 연기에 노출된 마우스에서 분리한 세포로 구성한 폐-오가노이드에서 폐기종이 유발되는 기전을 확인하였고[10], 담배 연기 노출이 폐-상피세포의 정상적인 증식과 회복, 폐포-제2형세포의 분화 및 오가노이드 형성을 억제함을 확인하였다[11].
COPD와 관련된 연구사례의 구체적인 내용으로는, 담배 연기에 노출된 마우스의 태아로부터 유도한 마우스 폐-오가노이드에서 COPD와 유사한 질병이 유발됨을 확인하여, 태중 담배 연기 노출이 신생아의 COPD 유발에 관련이 있음을 폐-오가노이드를 활용하여 확인하였다[12]. 인간과 마우스의 폐-오가노이드에 담배주류연추출물(cigarette smoke extract)을 14일간 노출시켜 폐포-오가노이드의 크기와 수가 유의하게 감소함을 확인하여, 담배 연기에 노출된 폐의 복구에 관여하는 기전을 연구하였다[13]. 한 연구에서는 COPD 환자의 폐와 담배연기에 노출된 마우스의 폐에서 종양억제유전자인 LKB1 (liver kinase B1)의 발현이 감소함을 확인하였다. 이를 바탕으로 폐-오가노이드 배양연구에서 LKB1의 발현을 억제시켰을 때, 기도 내 세포분화와 대식세포를 유도하는 유전자의 발현이 촉진됨을 입증하였다. 이는 생체 내에서 기도 내 점액을 과분비시키고 과도한 세포의 증식이 유발되는 기전과 관련이 있음을 확인하여, 흡연자 및 COPD와 LKB1 유전자 발현의 상관성을 시사하였다[14].
이와 같이 폐-오가노이드와 담배사용에 관한 연구 현황은 폐암과 COPD 관련 사망자의 약 90%가 담배 사용자임을 뒷받침하듯이[15], 두 질환에 집중되어 있었다. 이는 흡연으로 인한 폐 손상의 근본적인 메커니즘을 이해하기 위해 COPD 질환과 폐암 유발기전을 폐-오가노이드를 활용하여 연구한 것으로 파악되었다.
짧은 세포 주기의 세포 모델, 미세환경 제어에 한계가 있는 기액계면세포배양, 전문가와 첨단기술이 필요한 장기칩, 장기 및 혈관 기능 모방이 불가한 스페로이드 모델과 동물시험의 윤리적, 경제적, 인체와 종간 이질성 문제를 고려하였을 때, 오가노이드는 장기의 구조 및 기능적 측면의 재현성과 다양한 유형의 세포가 존재한다는 점으로 인해 다방면의 인체 위해성을 평가하기에 적합한 모델이다(표 2) [16]. 특히, 폐-오가노이드는 호흡계 조직의 위치마다 다르게 존재하는 세포를 활용하여, 폐포의 구조, 점액 분비, 섬모 운동, 재생능력 등의 특징을 갖는 조직(그림 2)이므로, 흡연에 의해 가장 먼저 손상되는 폐를 연구하기 위한 모델로 폐-오가노이드에 주목하였다[17]. 이에, 폐암, COPD, 폐섬유증(pulmonary fibrosis, PF) 및 감염성 폐질환과 같은 주요 폐질환 연구 중 폐-오가노이드를 활용한 연구사례를 바탕으로, 흡연폐해 연구에 적용할 가능성을 체계적 문헌고찰을 하였다.
분류 | 장점 | 단점 |
---|---|---|
세포 모델(2D cell lines) | 경제적인 시험비용. 재현성의 용이함. 시험 방법이 간단하고 쉬움. 짧은 시간 내 시험 가능. 고속대량스크리닝(HTS) 용이. | 일차세포의 완벽한 모방 불가. 유전적으로 불안정함. 짧은 세포 분열 및 사멸주기로 시험의 한계. 기원종 및 기원장기의 제한. 바이러스 침입·복제에 대한 낮은 민감성. 기질, 혈관, 염증 세포 등 부재로 상호작용 확인 불가. |
기액계면세포배양(air-liquid interface) | 인체 조직장벽의 구조와 기능 모방 가능. 피부독성 등 일부 동물실험의 대안으로 활용. 에어로졸 노출연구 시 현실적인 조건 반영 가능. | 배양 및 시험 방법의 비표준화. 생체 내 구조 재현 불가. 배양 및 시험 시, 미세환경 제어의 한계. |
장기칩(organ-on-a-chip) | 배양 및 시험 시, 미세환경의 통제 가능. 장기-모세혈관 간 작용 모방 가능. | 배양 및 시험 방법의 비표준화. 전문가, 첨단기술 및 장기적 시간 필요. 복잡한 설계 및 제조로 비싼 비용 소모. HTS 불가. |
스페로이드(spheroids) | 세포 간 상호작용 확인 가능. 용이한 재현성. HTS 가능. | 균일한 크기 조절의 어려움. 장기 및 혈관 기능 모방 불가. 배양 방법의 복잡함. |
동물 모델(animal models) | 인간과 생리적 유사성으로 질병의 원인 이해 가능. 기질, 혈관, 염증세포와의 상호작용 확인 가능. | 고비용 및 관리 인력의 필요. 시험에 장기적 시간 필요. 생명윤리적 문제의 대두. 인간과 유전적, 해부학적 차이점 존재. |
오가노이드(organoids) | 주요 장기의 구조 및 기능적 측면 재현 가능. 질병 모델링 가능. 다양한 유형의 세포 존재 가능. 유전체적 안정성. 장기간 바이오뱅크 보관 가능. 기원종의 특성 보유 가능. HTS 가능. | 배양 방법의 비표준화. 혈관 및 면역시스템 재현 부족. 미세환경 제어의 한계. 영양소 및 대사산물의 오가노이드 내부 확산의 한계. |
2D=two-dimensional; HTS=high-throughput screening..
폐암은 세계적으로 암 관련 사망의 주요 원인이며, 흡연은 폐암의 주요 위험요인이다. 특히, 담배 연기의 발암물질 및 독성물질은 폐의 모든 부위에 영향을 미친다. 중독을 유발하고 유전독성 및 면역체계에 영향을 미치는 니코틴, 니코틴에서 유래된 담배특이물질로 생식능력을 감소시키는 니트로사민류(nitrosamine), 돌연변이 유발물질인 다환방향족탄화수소(polycyclic aromatic hydrocarbons), 뼈의 손상을 유발하고 생식기능을 저하시키는 벤젠류(benzene) 및 기도와 피부에 자극을 유발하는 아세트알데하이드(acetaldehyde)와 같은 담배 연기 내 발암물질이 인간에 미치는 유해한 영향은 다수의 연구를 통해 확인되었다[18-21]. 그러나, 폐암의 유발 및 치료기전은 매우 다양하고 복잡하기 때문에 지속적인 연구가 필요하며, 이를 위해 동물실험(in vivo)을 대체할 수 있는 시험관 내 시험방법으로 폐-오가노이드 연구사례를 정리하였다.
그림 1에서 제시한 ‘체계적 문헌고찰’을 통해, 최근 10년간 발표된 연구사례 중 폐-오가노이드 및 암(cancer)을 포괄하여 검색하였다. 총 611편의 연구논문이 검색되었고, 문헌고찰 논문을 제외하고 ‘제목’, ‘초록’ 및 ‘본문’을 차례대로 확인하여 적합 여부가 확인된 실험 논문은 42편이었으며, 상세내용은 다음과 같다.
폐암-오가노이드 관련한 논문은 비소세포폐암(non-small cell lung cancer) [22,23], 폐선암 [24,25] 및 평편세포폐암(squamous cell lung cancer) [26]과 같은 폐암세포주 또는 폐암 환자의 폐 조직을 활용하여 폐암-오가노이드를 형성하고 효율적으로 배양하는 방법을 제시한 것이었다[27-31]. 대부분의 논문에서는 폐암-오가노이드 모델을 활용하여 폐암 치료를 위한 약물의 후보 선정을 위해 대량스크리닝에 활용한 사례 및 방법을 제시하거나[32-39], 항암제(cisplatin [40], pyrotinib [41], alectinib [42], halofuginone [43] 등)가 작용하는 상세기전을 확인한 사례가 대부분이었다. 특히, 폐암 환자 유래 폐암-오가노이드를 활용하여 환자에게 최적화된 치료 방법을 찾기 위한 수단으로써 가능성을 확인하고, 임상 치료의 적용 가능성을 제시한 연구사례도 있었다[44,45]. 그 외에 폐암-오가노이드의 전형적인 특징을 연구한 사례[46,47], 질병 모델로써 가능성을 확인한 연구사례[48,49] 및 체내 면역과의 연관성을 연구한 사례[50]를 확인하였다.
폐암-오가노이드는 기원종의 유전적 발현 정보 유지가 용이하고 암 조직의 구조와 미세환경의 재현이 가능한 특징이 있어, 암 조직의 복잡성과 환자별 치료 방식 연구에 활발히 활용되고 있었다. 이과 같은 특징을 환자 유래 폐암-오가노이드를 활용하여 흡연이 폐암의 발달에 미치는 영향 연구에 적용 시, 다양한 유전적 특징을 바탕으로 연구가 가능하고 폐암의 발달 단계에 미치는 상세기전을 연구하기 위한 적합한 모델로 기대된다.
COPD는 만성 기관지염, 폐기종, 점액의 과다분비 등의 증상을 동반하고, 폐포의 실질 조직이 손상되는 복잡한 폐질환이다. 이 질환의 새로운 치료 및 약물 개발은 주로 전임상 모델에 의존하고 있으나, 전임상의 제한점, 높은 비용 및 인간 폐의 구조적 복합성으로 재현성이 떨어지기 때문에, 연구의 한계점이 있다[51]. 이에, 폐-오가노이드를 활용하여 COPD 발병 기전을 연구하고 있다. 이를 ‘체계적 문헌고찰’을 통해, 최근 10년간 발표된 연구사례 중 폐-오가노이드 및 COPD를 포괄하여 검색하였다. 총 57편의 연구논문이 검색되었고, 최종 적합 여부가 확인된 실험 논문은 22편이었다. 상세내용은 다음과 같다.
COPD와 관련한 많은 연구는 폐포-제2형세포를 활용하여 폐-오가노이드를 형성하였고, 폐-오가노이드의 유전자 발현(rho-kinase 1/2 [52], frizzle receptor 4 [11], mitogen-activated protein kinase 13 [53,54], interleukin-1β [55], interleukin-11 [56], receptor-interacting protein kinase 3 [57], WNT-5A/5B [58], LL-37 [59] 등)을 억제시켰을 때, 섬유아세포의 능력 손실, 손상된 폐세포의 복구 능력 감소 및 폐세포의 변형이 증가함을 확인하였다. 한 연구에서 COPD 환자로부터 분리한 세포로 비인두 및 기관지 유래 COPD-폐-오가노이드를 확립하였는데, 이 모델은 배상세포의 과형성과 섬모운동의 감소, 바이러스 및 박테리아 노출에 취약한 COPD의 전형적인 특징을 재현하였다[56]. 다른 연구에서는 폐 낭포성 섬유증 환자의 조직에서 폐 전구체세포(lung progenitor cell)2)를 분리하여 COPD-폐-오가노이드 모델을 확립하였다[60]. 또한, 섬유에서 유래된 흡입 가능한 플라스틱은 기도의 상피세포 분화를 억제하기 때문에 폐세포의 복구가 어려워져 COPD가 유발될 수 있음을 확인하였다[61].
‘체계적 문한고찰’을 통해 확인한 대다수의 연구사례에서는 폐 조직의 구조 이상은 매우 다양하게 나타나고 PF와 유사하게 해석하기 때문에, 폐세포 변형과 기능의 감소가 COPD로 이어질 가능성으로 제시하였다. 이에, 폐-오가노이드에 담배 주·부류연을 노출한 후, 세포의 변형 및 기능이 감소됨을 확인한다면, 흡연에 의한 COPD 유발기전을 다양한 각도에서 증명할 수 있을 것이다.
PF는 반복적인 폐 상피 손상으로 인해 폐 조직이 굳어(섬유화) 심각한 호흡 장애가 발생하는 폐질환이다. 약물로 섬유화 진행을 늦출 수 있지만, 손상된 폐 세포를 완전히 회복시킬 수는 없다. 특히, PF는 흡연에 의해 발생하는 것으로 알려진 대표적인 폐질환 중 하나이다[62]. 이를 ‘체계적 문헌고찰’을 통해, 최근 10년간 발표된 연구사례 중 폐-오가노이드 및 PF를 포괄하여 검색하였다. 총 137편의 연구논문이 검색되었고, 최종 적합 여부가 확인된 실험 논문은 42편이었다. 많은 연구에서 COPD와 PF를 유사한 기전으로 묶어 연구하였기 때문에, 중복되는 내용을 제외하여 고찰하였다. 상세내용은 다음과 같았다.
PF 연구사례는 COPD와 유사하게 폐포-제2형세포를 활용하여 폐-오가노이드를 형성하여 활용하였다[63]. 그러나 광범위한 세포외 기질(extracellular matrix, ECM)의 축적, 폐포의 회복 불가 및 세포의 노화 등을 특징으로 하는 만성 진행성 질환이라는 점으로 COPD와 구별한다[64]. PF를 유발한 연구사례에서는 항암 작용이 있는 항생제인 블레오마이신(bleomycin)과 전환성장인자베타(transforming growth factor-beta, TGF-β)를 주로 사용하였다. 블레오마이신을 처리한 폐-오가노이드에서 상피세포를 매개한 섬유아세포의 활성화 및 세포노화에 관련된 PF의 병리학적 특징이 재현되었다[65]. 또한, 폐포상피세포에 TGF-β를 노출하면, 상피-중간엽전이(epithelial-mesenchymal transition, EMT)가 발생하여 PF의 시작됨을 확인하였다[66]. 다른 질환 연구사례와 구별되는 특징은 바이오프린팅을 활용하여 3D PF 모델의 확립이 가능한 것이었다. 바이오프린팅을 활용하여 3D 폐포장벽 모델을 만든 후, 섬유증을 유발하는 사이토카인을 노출시킴으로써, 구조적 변화, 폐세포의 기능 저하 및 EMT가 유발되어 섬유증 모델로 적합함을 확인하였다[67].
폐-오가노이드를 활용한 PF 모델의 확립 연구가 다양한 각도에서 이루어져 있었고, 특히 오가노이드 모델의 단점을 보완할 수 있도록 바이오프린팅을 활용하여 일정한 PF 모델을 구현할 수 있는 연구가 진행되었다. 그러나, PF가 흡연에 의해 유발되는 만성폐질환임과 관련한 상세기전을 연구한 사례가 확인되지 않아 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
흡연에 의한 영향은 폐포까지 미치기 때문에 폐포-제2형세포에 손상을 유발하는 것으로 알려져 있다. 바이러스도 주로 기도 상피세포와 폐포-제2형세포를 주요 표적으로 삼아 그 영향이 가중될 수 있다. 특히, 담배 연기는 면역체계의 정상적인 기능을 방해하여 바이러스 감염(viral infection)에 대한 항바이러스 능력을 억제하는 것으로 연구되었다[68]. 이를 ‘체계적 문헌고찰’을 통해, 최근 10년간 발표된 연구사례 중 폐-오가노이드 및 바이러스 감염을 포괄하여 검색하였다. 총 156편의 연구논문이 검색되었고, 최종 적합 여부가 확인된 실험 논문은 63편이었다.
폐-오가노이드 모델을 활용한 호흡기 바이러스 감염 관련 최근 연구사례는 중증급성호흡기증후군 코로나바이러스 2 (severe acute respiratory syndrome coronavirus 2, SARS-CoV-2) 관련 논문이 대부분이었다. 폐-오가노이드 모델에 SARS-CoV-2를 감염시켜 바이러스 감염 모델을 확립하고, 이에 발생하는 세포의 구조적 변화와 유전자 및 단백질의 발현 변화도 관찰하였다. 담배 연기의 한 성분인 benzo[a]pyrene은 폐-오가노이드와 폐포-제2형세포의 SARS-CoV-2의 감염에 대한 감수성을 높임을 확인하였다[69]. 또한, 호흡기세포융합바이러스(respiratory syncytial virus, RSV)에 감염된 인간 폐-오가노이드가 상피 및 세포골격의 변형, 세포융합체 형성 등 생체 내 병리적 변화를 재현하여 상세기전을 확인하였다[70]. 다른 연구에서 RSV 감염과 미세먼지(particulate matter, PM)의 상관관계를 연구한 결과, RSV에 감염된 폐-오가노이드에서 PM 노출에 의해 DNA 손상 및 세포사멸이 증가함을 확인하였다[71]. 이러한 연구사례는 바이러스에 감염이 되어있는 폐 조직에 외부 스트레스가 가해지면, 심각한 폐 손상을 일으킬 수 있음을 시사한다. 이러한 연구는 폐-오가노이드가 폐의 구조를 재현하는 능력이 있어, 바이러스와 숙주 간 상호작용에 따른 세포의 반응 연구에 적합함을 뒷받침하는 사례이다[72].
흡연과 바이러스의 주요 표적이 폐포-제2형세포이라는 공통점은 폐포-제2형세포를 활용한 폐-오가노이드 모델을 활용할 충분한 가치가 있음을 시사한다. 특히, 흡연자는 다량의 PM에 노출되며 PM의 입자 크기에 따라 독성반응이 다르게 나타나는 것으로 보고된 내용[73]과 RSV에 감염된 폐-오가노이드의 PM 노출에 의해 세포사멸이 증가한다는 연구사례는 흡연과 호흡기 바이러스 감염과의 연관성 연구의 필요성을 뒷받침한다. 이와 같이, 폐-오가노이드를 활용하여 흡연과 호흡기 바이러스 감염 관련 연구의 필요성을 확인하였다.
흡연은 다양한 질환을 유발하는 것으로 알려져 있으나, 동물실험과 세포를 활용한 상세기전의 연구에는 물리적, 윤리적, 생리학적, 생물학적 한계가 존재하였다. 이러한 한계를 보완한 모델로 오가노이드를 제안하였고, 흡연폐해가 1차적으로 발생하는 폐를 주요 표적장기로 고찰하였다. 폐-오가노이드를 활용한 흡연폐해 연구 현황을 파악한 결과, 주로 폐암 및 COPD 관련 오가노이드 모델을 활용하여 수행되었으나, 동물실험을 동반하였거나 다양한 형태의 폐질환-오가노이드가 사용되지 않았다. 폐암과 COPD 관련 사망자의 비율이 상당히 높은 것에 비해 다양한 연구가 수행되지 않은 것으로 파악되었다. 이에, 폐암, COPD, PF 및 감염성 폐질환 등 주요 폐질환에 대해 폐-오가노이드를 활용한 연구사례를 바탕으로 흡연폐해 연구에 적용할 가능성을 고찰하였다.
그 결과, 폐암세포를 활용하여 폐 조직을 구조적으로 모방한 폐암-오가노이드와 환자 유래 폐 조직을 활용한 폐암 환자 유래 폐암-오가노이드 연구사례가 대부분이었다. 이를 활용하여 효과적인 치료 방법을 위해 항암제 스크리닝 및 임상 적용 가능성에 대한 연구가 수행되었다. 또한, COPD 환자 조직과 유사한 형태의 COPD-오가노이드 모델을 확립하여 연구에 활용한 사례를 확인할 수 있었으며, 이를 통해 COPD 유발에 미치는 유전자의 종류와 세포의 기능적인 특성을 확인할 수 있었다. PF는 COPD와 함께 연구된 사례가 많았으나, 세포의 기능적 변화보다는 ECM 축적, 폐포 회복의 불가 및 노화 등의 특징을 나타내었다. PF를 유발하는 주요 화학물질을 확인하였고, 3D 바이오프린팅 기술이 제안되어 오가노이드의 단점을 보완할 수 있는 모델로 기대되었다. 최근 SARS-CoV-2의 전 세계적 유행에 의해 폐-오가노이드를 활용한 연구가 매우 활발히 진행된 것이 특징적이었다. 특히, RSV 감염과 PM의 상관관계를 다룬 연구가 있어, 흡연 시 다량 발생하는 PM (타르를 포함한 PM) 연구의 필요성을 확인할 수 있었다. 이러한 폐암, COPD, PF 및 바이러스 감염성 폐질환을 모델링한 폐-오가노이드를 활용한 다양한 연구사례는 궐련 및 신종담배에 의한 흡연폐해 실험연구에 다양하게 활용될 가능성을 뒷받침하였다.
이에, 질병관리청 흡연폐해세포실험실에서는 흡연폐해 연구에 흡연과 관련된 폐질환을 모방한 폐-오가노이드 모델을 확립하고자 폐암 환자 유래 폐-오가노이드의 생물학적 마커를 확인하기 위한 연구를 수행한 바 있다. 이 연구에서 실제 폐암 환자의 수술 조직에서 유래한 오가노이드를 분리하여 배양 조건을 최적화하여 원발암성 종양임을 확인하고, 폐세포의 특징인 섬모(cilia) 등을 확인하였으며, 차세대 염기서열 분석법을 통해 폐-오가노이드 및 폐암-오가노이드 구축을 검증하였다. 본 연구를 시작으로 그동안 수행되었던 세포 및 동물을 활용한 흡연폐해 연구의 단점을 보완하기 위해 폐-오가노이드 활용한 연구를 지속적으로 적용하고, 사용 목적, 사용 횟수, 제품의 종류, 흡입 습관 등 개인별 사용 행태에 따라 유해물질 흡입량이 달라져 건강에 미치는 영향이 달라질 수 있으므로, 흡연자의 행태 변화 및 체내 유해물질 노출량을 지속적으로 추적조사한 결과를 반영하여 흡연폐해 실험 모델에 적용시켜 나갈 계획이다.
1) 줄기세포화(stemness): 대부분의 조직은 손상을 입었을 때 이를 회복할 수 있는 제한 횟수의 능력을 갖고 있으나, 과도하게 발현될 경우 무한한 자가증식능력(self-renewal) 이 유도된다고 보고됨. 이에, 암과 줄기세포가 아닌 세포에서 줄기세포화가 유도될 경우, 암으로의 발달 가능성이 높아짐을 의미함.
2) 폐 전구체세포(lung progenitor cell): 최종적으로 기능을 갖는 폐세포로 분화하기 전 단계의 세포를 의미함.
Ethics Statement: Not applicable.
Funding Source: None.
Acknowledgments: None.
Conflict of Interest: The authors have no conflicts of interest to declare.
Author Contributions: Conceptualization: REG. Data curation: SMS, YJK, YAJ. Supervision: YJA. Writing – original draft: REG. Writing – review & editing: KIN, YJA, REG.
분류 | 직접 노출에 의한 질병 | 간접 노출에 의한 질병 |
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암 | 폐암, 식도암, 두경부암, 췌장암, 위암, 대장암, 자궁경부암 등 | 폐암 |
심∙뇌혈관 질환 | 심근경색, 허혈성 심질환, 대동맥류, 심부전증, 질환성심정지, 뇌졸중, 뇌동맥류 등 | 관상동맥질환, 뇌졸중, 심장질환 심화 |
호흡기 질환 | 만성폐쇄성폐질환, 천식, 결핵 | 천식 및 폐질환 심화, 청소년 폐기능 부전, 감기, 폐렴, 급성 하기도질환 등 |
소화기 질환 | 크론병, 과민성대장증후군, 위식도 역류질환 등 | - |
생식 질환 | 선천성 기형, 태아발달 장애, 임신 중 고혈압성 질환, 남성 성기능 장애 | 여성 생식기능 저하, 영아돌연사증후군 위험도 증가 |
안질환 | 백내장, 황반변성 발생위험 증대 | - |
기타 | 치주질환, 당뇨병, 류마티스 관절염 | 중이염 위험 증가 |
분류 | 장점 | 단점 |
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세포 모델(2D cell lines) | 경제적인 시험비용. 재현성의 용이함. 시험 방법이 간단하고 쉬움. 짧은 시간 내 시험 가능. 고속대량스크리닝(HTS) 용이. | 일차세포의 완벽한 모방 불가. 유전적으로 불안정함. 짧은 세포 분열 및 사멸주기로 시험의 한계. 기원종 및 기원장기의 제한. 바이러스 침입·복제에 대한 낮은 민감성. 기질, 혈관, 염증 세포 등 부재로 상호작용 확인 불가. |
기액계면세포배양(air-liquid interface) | 인체 조직장벽의 구조와 기능 모방 가능. 피부독성 등 일부 동물실험의 대안으로 활용. 에어로졸 노출연구 시 현실적인 조건 반영 가능. | 배양 및 시험 방법의 비표준화. 생체 내 구조 재현 불가. 배양 및 시험 시, 미세환경 제어의 한계. |
장기칩(organ-on-a-chip) | 배양 및 시험 시, 미세환경의 통제 가능. 장기-모세혈관 간 작용 모방 가능. | 배양 및 시험 방법의 비표준화. 전문가, 첨단기술 및 장기적 시간 필요. 복잡한 설계 및 제조로 비싼 비용 소모. HTS 불가. |
스페로이드(spheroids) | 세포 간 상호작용 확인 가능. 용이한 재현성. HTS 가능. | 균일한 크기 조절의 어려움. 장기 및 혈관 기능 모방 불가. 배양 방법의 복잡함. |
동물 모델(animal models) | 인간과 생리적 유사성으로 질병의 원인 이해 가능. 기질, 혈관, 염증세포와의 상호작용 확인 가능. | 고비용 및 관리 인력의 필요. 시험에 장기적 시간 필요. 생명윤리적 문제의 대두. 인간과 유전적, 해부학적 차이점 존재. |
오가노이드(organoids) | 주요 장기의 구조 및 기능적 측면 재현 가능. 질병 모델링 가능. 다양한 유형의 세포 존재 가능. 유전체적 안정성. 장기간 바이오뱅크 보관 가능. 기원종의 특성 보유 가능. HTS 가능. | 배양 방법의 비표준화. 혈관 및 면역시스템 재현 부족. 미세환경 제어의 한계. 영양소 및 대사산물의 오가노이드 내부 확산의 한계. |
2D=two-dimensional; HTS=high-throughput screening..