울산과학기술원(UNIST)과 POSTECH 공동 연구팀이 사람 신장의 배관망 구조와 기능을 정교하게 재현한 인공 미니 신장을 개발했다고 11일 밝혔다.

박태은 UNIST 바이오메디컬공학과 교수와 김동성 POSTECH 기계공학과 교수 연구팀은 신장 오가노이드에서 기존에 구현되지 못했던 집합관 연결 구조를 성공적으로 재현했다.

사람 신장은 약 100만 개의 네프론이라는 '정화 장치'로 구성돼 있다. 네프론 내부의 세관들은 집합관에 연결돼 노폐물을 배출하는 구조를 갖고 있지만, 기존 실험실 오가노이드에서는 이런 연결 구조가 부재했다. 또 네프론 세포들의 성숙도가 낮아 실제 신장 기능을 제대로 수행하기 어려웠다.

연구팀은 배양 과정에서 저산소 환경을 조성해 이 한계를 극복했다. 실제 배아 발달 환경처럼 산소 농도를 낮추자 역분화 줄기세포가 네프론 세포와 집합관 연결 세포를 동시에 생성했다. 두 종류의 세포가 상호 신호 교환을 통해 성장하면서 여러 네프론이 집합관 유사 구조로 연결된 실제 신장과 유사한 네트워크를 형성했다.

단일 세포 유전체 분석 결과 세포 구성과 성숙도 모두 실제 인간 신장과 높은 유사성을 나타냈다.

개발된 인공 미니 신장은 질병 모델링과 약물 독성 평가에서도 효과를 입증했다. 신장 세관 전체에 낭종이 확산되는 다낭신 질환 오가노이드를 성공적으로 제작했으며 신독성 항암제 처리 시 기존 오가노이드보다 훨씬 민감하게 독성을 검출했다.

박태은 교수는 "발달 환경을 재현해 구조와 기능 모두 개선한 미니 인공 신장을 만들었다"며 "질병 치료제 후보군을 탐색하고 독성을 제대로 예측할 수 있는 기반을 마련해 오가노이드의 동물 실험 대체 가능성을 높였다"고 말했다.

이번 연구는 임현지 UNIST 연구원이 제1저자로 참여했으며 과학기술정보통신부, 한국연구재단의 중견 연구자과제와 우수신진연구, 보건복지부의 한국형 ARPA-H 프로젝트, 산업통상자원부의 산업 기술 알키미스트 프로젝트 사업 및 울산과학 기술원의 지원으로 수행됐다.

연구 결과는 국제 학술지 어드밴스드 사이언스(Advanced Science)에 8월 21일 자로 온라인 게재됐다.