1.15: 전체 장기 조직 배양

다양한 테스트 조건에서 조직 및 장기 기능을 정확하게 모델링하기 위해 부분 또는 전체 장기의 체외 배양이 자주 사용됩니다. 전체 장기 배양은 본래 장기 구조를 활용하기 위해 절제된 장기의 탈세포화 또는 세포 제거를 포함할 수 있습니다. 그 다음에는 새로운 세포로 재세포화가 이루어집니다. 특수 생물 반응기의 사용은 종종 신체의 조직 성장을 모방하기 위해 재세포화 과정에 통합됩니다. 이 비디오는 전체 장기 조직 배양의 기본 원리를 소개하고 실험실에서의 절차를 보여줍니다.

이 과정은 기증자의 장기를 적출하는 것으로 시작됩니다. 이 예에서는 원숭이의 기증자 폐를 보여줍니다. 세제 관류(detergent perfusion)라고 하는 과정을 통해, 고립된 장기는 일련의 세척을 통해 고유 세포 집단을 체계적으로 제거하고, 그 결과 무균 무세포 장기 기질이 생성됩니다. 다음으로, 조직 기질은 확립된 줄기 세포주와 같은 특정 세포 유형을 사용하여 재세포화됩니다. 세포는 또한 자가 세포 이식(autologous cell transplantation)이라고 하는 조작된 조직을 받는 사람에 의해 기증될 수 있습니다. 이는 거부 반응을 완화하고 장기의 생체 적합성을 향상시킵니다. 또는 동종 이식이라고 하는 다른 기증자의 세포를 사용할 수 있습니다. 이는 잠재적 수용자로부터 충분한 수의 세포를 수확할 수 없는 경우 추구해야 할 수 있습니다. 세포가 장기에 파종되면 조직 생물반응기를 사용하여 세포 증식을 자극하고 조직 성장을 지시합니다. 이 반응기는 장기를 동적으로 배양하고 생체 내에서 발견되는 고유 환경을 모방하는 것을 목표로 합니다. 예를 들어, 혈류를 시뮬레이션하기 위해 장기를 연동 펌프에 연결할 수 있습니다. 장기 배양의 원리에 대해 배웠으니, 이제 기증자 폐의 전체 장기 배양과 관련된 예시 절차를 살펴보겠습니다.

먼저, 기증자의 폐를 해부 트레이에 넣고 열린 구멍에 암컷 루어 커넥터를 도입하여 폐동맥을 캐뉼레이션합니다. 그런 다음 두 번째 암 루어 커넥터를 기관 개구부에 삽입합니다. 그런 다음 헤파린 1밀리리터당 30단위와 니트로프루시시드나트륨 밀리리터당 5마이크로그램을 함유한 인산염 완충 식염수 또는 PBS를 주입하여 혈관을 확장하고 폐에서 갇힌 공기를 제거하는 데 도움을 줍니다. 용액은 자연적인 반동에 의해 배출되고 캐뉼라를 덮기 전에 두 번 더 반복되어 용액을 폐에 유지하여 잔류 혈액을 용해시킵니다. 그런 다음 양쪽 심방을 열상시키고 기관 루어 캐뉼라 캡을 제거하여 체액 배출을 용이하게 합니다. 폐혈관에서 가능한 한 많은 혈액이 제거될 때까지 PBS, 헤파린 및 니트로프루시드나트륨 용액으로 관류를 계속합니다. 탈세포화를 시작하기 위해 폐는 팽창하고 탈이온수로 침투합니다. 동맥 및 혈관을 다섯 번 세척한 후 폐를 물에서 제거하고 트리톤(Triton)이라는 세제에 담가 장기 기질에 미치는 영향을 최소화하면서 세포를 제거합니다. 폐는 트리톤 용액으로 두 번 더 팽창한 후 섭씨 4도에서 하룻밤 동안 배양합니다. 배양 후 폐는 신선한 탈이온수로 5회 더 세척됩니다. 다음으로, 폐를 2% 나트륨 데옥시콜레이트 용액에 담근 다음 물과 완충 용액으로 몇 번 더 세척하여 탈세포화 및 세포 파편의 제거를 촉진합니다. 완전히 세척되면 장기는 사용할 때까지 섭씨 4도의 멸균 PBS 용액에 보관됩니다.

폐의 자연스러운 행동을 모방하기 위해 여기에 표시된 것과 같은 특수 생물 반응기를 사용할 수 있습니다. 첫째, 반응기의 메인 챔버는 5% 이산화탄소 대기와 평형을 이룬 배양 배지로 채워집니다. 그런 다음 오르간이 설치됩니다. 연결되면 뚜껑이 고정되고 주사기를 사용하여 튜브에서 모든 공기를 제거합니다. 그런 다음 생물반응기를 조직 배양 인큐베이터로 옮겨 평형을 이룹니다. 다음으로, 폐는 약 2분마다 한 번의 완전한 호흡으로 인공호흡을 하고 배지는 연동 펌프를 통해 총 30분 동안 분당 약 10ml의 속도로 혈관 구조를 통해 순환됩니다.

기도 파종을 위해 폐는 골수 유래 중간엽 줄기 세포를 포함하는 세포 현탁액으로 팽창됩니다. 폐포를 재세포화하기 위해 폐포는 폐에서 일어나는 산소와 이산화탄소 가스 교환을 담당합니다. 그런 다음 폐를 밤새 배양하여 세포가 탈세포화된 기질에 부착할 수 있도록 합니다. 하룻밤 배양 후 인공호흡이 다시 시작되고 세포가 며칠 동안 장기 기질에서 자랄 수 있습니다. 다음으로, 연동 펌프를 사용하여 내피 세포를 점진적으로 도입하여 작은 혈관의 재세포화를 시작한 다음 몇 시간 동안 정적으로 배양하여 세포의 정확한 기관의 발달을 촉진함으로써 혈관 파종을 완료합니다. 배양 배지를 다시 순환시키고 세포를 일주일 동안 배양하여 역동적인 조건에서 성장과 부착을 촉진합니다. 조직 성장이 완료되면 조직학을 수행하여 장기의 혈관 구조와 기도에서 중간엽 줄기 세포와 내피 세포의 부착 및 성장을 확인합니다. 조직학은 중간엽 줄기 세포와 내피 세포가 기질 골격 내의 폐포와 작은 혈관 혈관에 부착되어 천연 폐 조직의 모양을 만드는 것을 보여줍니다.

이제 전체 장기 배양에 대해 배웠으므로 재생 의학 및 장기 대체의 주요 초점 외에 이 기술의 몇 가지 실제 응용 프로그램을 살펴보겠습니다. 전체 장기 배양은 의약품 또는 약물 전달 장치를 테스트하는 방법으로도 사용할 수 있습니다. 예를 들어, 본 연구에서는 배아 마우스 갑상선을 이식, 배양 및 장기 모델로 활용하여 실험용 약제가 장기와 조직을 통해 어떻게 운반되는지 관찰했습니다. 이 시뮬레이션은 궁극적으로 약물이 생체 내 장기 내에서 어떻게 전달되는지를 보다 현실적으로 표현할 수 있습니다. 마지막으로, 전체 장기 조직 배양은 다양한 조건에서 조직의 거동을 연구하는 데 사용할 수 있습니다. 예를 들어, 디스크 퇴행의 가능한 메커니즘을 연구하기 위해 소 꼬리에서 추간판을 채취했습니다. 이러한 부하가 변성에 미치는 영향을 더 잘 이해하기 위해 디스크에 기계적 부하를 유도하기 위해 특별히 설계된 생물 반응기가 사용되었습니다.

Whole Organ Tissue Culture에 대한 Jove의 비디오를 시청하셨습니다. 이제 전체 장기를 체외에서 배양하는 방법과 이 기술이 생명 공학 분야에 어떻게 적용되는지 이해해야 합니다. 시청해 주셔서 감사합니다.