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PDO 기반 환자 맞춤형 암 치료 설계: 공정, 모델 비교,
활용 전략

환자 종양의 생물학적 특성을 체외에서 재현하는 PDO의 개념부터 4단계 구축 공정부터 2D·CDX·PDO 모델 비교까지 핵심 내용을 체계적으로 소개합니다.

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PDO 기반 환자 맞춤형 암 치료 설계 방법: 공정, 모델 비교, 활용 전략

PDO는 환자 종양의 생물학적 특성을 체외에서 정밀하게 재현할 수 있는 차세대 암 연구 모델로 주목받고 있습니다. PDO는 약물 반응 예측, 바이오마커 검증, 치료 전략 설계 등 다양한 정밀 의료 연구에 활용되고 있습니다.

본 글은 환자의 생체 조직 특성을 그대로 재현하는 PDO의 개념을 정의하고, 이를 활용해 정밀 의료 기반의 맞춤형 치료 전략을 설계하는 단계별 공정과 핵심 솔루션을 비교·정리합니다.

1.  PDO란

PDO(Patient-Derived Organoid, 환자 유래 오가노이드)는 환자의 종양 조직에서 유래한 세포를 3차원으로 배양해 실제 종양의 구조와 유전적 특성을 모사한 ex vivo 실험 모델입니다. 환자 개별 종양의 생물학적 특성을 높은 수준으로 재현할 수 있어 약물 반응 예측, 바이오마커 검증, 치료 전략 설계에 활용되는 대표적인 정밀의료 플랫폼으로 평가됩니다.

기존의 2차원(2D) 세포 배양 방식은 세포가 단일 평면에서 부착·확산되며 성장하기 때문에, 실제 종양 조직에서 존재하는 공간적 구조와 미세환경을 충분히 반영하지 못하는 한계가 있습니다. 이로 인해 세포의 형태, 대사 및 유전자 발현 양상이 변화하여 in vivo 종양과의 차이가 발생할 수 있습니다.

2. 기존 세포 모델 대비 PDO의 차별성

반면, 3차원 오가노이드 배양 시스템은 세포 간 상호작용과 입체적 구조를 유지함으로써 종양 조직의 생물학적 특성을 보다 현실적으로 재현합니다. 특히 환자 유래 오가노이드(PDO)는 환자 종양 조직으로부터 직접 확립되기 때문에, 종양의 유전적 이질성과 환자 특이적 약물 반응을 높은 수준으로 유지할 수 있습니다.

iPSC 유래 오가노이드는 대량 생산과 유전자 조작에 유리하다는 장점이 있으나, 분화 과정에서 실제 환자 종양의 병리학적 특성이 일부 희석될 수 있습니다. 이에 비해 PDO는 환자 종양의 상태를 보다 직접적으로 반영할 수 있어, 약물 반응 예측과 환자 맞춤형 치료 전략 설계를 위한 임상 연계 모델로 활용 가치가 높습니다.

ipsc-derived-organoids

그림 1. iPSC 유래 오가노이드와 환자 유래 오가노이드(PDO)의 생성 및
배양 프로세스 비교

ips-pdo

그림2. iPSC 유래 오가노이드와 환자 유래 오가노이드(PDO)의 주요 특성 비교

3. PDO 모델을 이용한 환자 맞춤형 치료 설계의 4단계 공정

Step 1. 환자 유래 PDO 확보 전략

환자 맞춤형 치료 설계를 위한 PDO 모델은 연구 목적과 인프라에 따라 직접 확립, 상업적 PDO 구매, 또는 외부 Screening Service 의뢰의 세 가지 방식으로 확보할 수 있습니다.

1) 환자 조직으로부터 PDO 직접 확립

환자의 수술 샘플 또는 생검 조직을 확보한 후, 효소 처리와 물리적 분쇄를 병행하여 단일 세포 또는 세포 클러스터 단위로 정밀하게 분리합니다. 이후 3차원 배양 환경에서 오가노이드를 형성합니다. 이 방식은 환자 종양의 유전적 이질성과 병리학적 특성을 가장 직접적으로 반영할 수 있으나, 숙련된 기술과 배양 인프라가 요구됩니다.

2) 구매 가능 PDO 및 제품 예시

연구자는 상업적으로 제공되는 환자 유래 PDO 모델을 구매하여 곧바로 실험에 활용할 수 있습니다. 머크에서는 여러 조직 출처의 환자 유래 오가노이드를 biobank 형식으로 제공하며, 약물 반응 평가 및 질병 모델링에 활용할 수 있습니다.

예를 들어 3dGRO® Human CRC Organoids는 96-well plate 기반의 약물 반응 실험에 적합한 상업용 암 PDO 모델입니다. 이러한 상업용 PDO는 표준화된 조건으로 공급되어 초기 조직 확보 및 배양 부담을 줄여줍니다.

3) PDO Screening Service 의뢰

자체적으로 PDO 배양 및 약물 반응 실험 인프라가 없는 경우, 외부 전문 기관의 PDO Screening Service를 활용할 수 있습니다. 해당 서비스는 PDO 확보부터 약물 처리, 데이터 분석까지 전 과정을 지원합니다.

예를 들어 HUB Organoids PDO Screen 서비스는 다양한 조직 출처의 환자 유래 오가노이드를 기반으로 3D ATP 기반 viability assay, IC₅₀/GR₅₀ 도출 등 표준화된 drug screening 지표를 제공합니다.

Step2. 3차원 배양 및 오가노이드 형성

분리된 세포를 하이드로젤 매트릭스에 현탁하거나 에어-리퀴드 인터페이스(ALI) 방식을 적용하여 배양합니다. 이때 종양 특성에 맞는 성장 인자(Growth Factors)와 사이토카인을 공급해 세포가 입체 구조를 형성하도록 유도합니다. 특히 Millicell® Cell Culture Inserts와 같은 멤브레인 장비를 활용하면 산소와 영양분 교환이 원활해 균일한 성장을 지원할 수 있습니다.

protein expression

그림 1. Millicell® Microwell plates

schematic of Millicell
cell culture inserts

그림 2. Millicell® Hanging Cell Culture Inserts

Step 3. 약물 민감도 평가 (Drug Sensitivity Testing, DST)

형성된 PDO 모델에 다양한 항암제 및 병용 요법 후보 물질을 처리하여 반응을 분석합니다. 고처리량 스크리닝 기법을 통해 환자에게 가장 효과적인 약물 또는 약물 조합을 선별합니다.

Step 4. 분석 데이터 통합 및 최종 치료 설계

PDO의 약물 반응 결과와 환자의 유전체 분석(NGS) 데이터를 통합해 리포트를 작성합니다. 임상 의사는 이를 바탕으로 유효성이 높고 독성이 낮은 맞춤형 치료 전략을 결정합니다.

4. 암 모델별 배양 시스템 특성 비교: 2D·CDX·PDO

PDO 모델이 환자 맞춤형 치료 설계에 활용되는 이유는 기존 배양 방식 대비 높은 생체 모사 성능과 예측 정확도를 제공하기 때문입니다. 아래 표는 2D 세포주 배양, CDX, PDO 모델의 특성과 임상 활용 적합성을 비교한 것입니다.

위 표는 각 모델이 실제 환자 종양의 생물학적 특성을 얼마나 충실히 반영하는지를 보여줍니다. 2D 세포 배양은 종양 이질성과 조직 구조 재현에 한계가 있으며, CDX 모델은 생체 환경을 반영할 수 있으나 실험 기간이 길다는 제약이 있습니다. 반면 PDO는 환자 종양의 특성을 높은 수준으로 유지하면서 비교적 짧은 기간 내 약물 반응 평가가 가능한 임상 연계 모델입니다.

5. 결론

PDO는 환자 맞춤형 치료 설계를 실질적으로 가능하게 하는 핵심 실험 모델로, 항암제 반응 예측과 최적 치료 전략 선별에 직접적으로 활용되고 있습니다. 환자 종양의 유전적·생물학적 특성을 체외에서 유지한 상태로 재현할 수 있어, 치료 전 단계에서 약물 효능과 반응성을 평가하는 정밀 의료 플랫폼으로서 높은 가치를 가집니다. 

이러한 PDO 기반 맞춤 치료 설계가 안정적으로 작동하기 위해서는 환자 조직 처리부터 3차원 배양 환경, 성장 인자 조성, 산소 및 영양 공급 조건까지 전 공정에 대한 정밀한 제어와 재현성이 확보되어야 합니다.

머크 생명과학의 Millicell® 배양 시스템과 고품질 성장 인자, 배지 보충 솔루션은 PDO 형성 및 유지의 안정성을 높이고 실험 간 편차를 최소화하여, 약물 반응 데이터의 신뢰도를 향상시키는 기반을 제공합니다. 이는 PDO를 활용한 환자 맞춤형 치료 설계가 연구 단계를 넘어 임상 현장에서 실질적으로 활용될 수 있도록 하는 중요한 기술적 토대가 됩니다.

Matrigel dome organoid culture technique

그림3. Matrigel dome organoid culture technique

Matrigel dome organoid

6. 자주묻는 질문(FAQ)

더 많은 기초 질문은 오가노이드 배양 자주 묻는 질문(별도 페이지)에서 확인할 수 있습니다.

환자 샘플은 기본적으로 미생물에 노출되어 있습니다. 조직 수집 즉시 항생제와 항진균제가 포함된 이송 배지(Transport Media)에 넣고, 분리 과정에서 여러 번 세척하는 것이 필수입니다. 특히 머크의 검증된 항생제 배합 솔루션을 사용하면 초기 배양 단계에서 흔히 발생하는 박테리아 및 곰팡이 오염을 효과적으로 차단할 수 있습니다.

종양 이질성 때문에 성장 속도 차이는 불가피합니다. 따라서 고정된 날짜보다는 오가노이드의 '크기'를 기준으로 실험 시점을 정해야 합니다. 보통 직경이 100~200 μm에 도달했을 때 약물 처리를 시작하며, 이를 위해 매일 현미경으로 형태를 관찰하는 이미징 기반 모니터링이 중요합니다.

3D 배양에서 가장 큰 변수는 하이드로젤 내 오가노이드의 균일한 분포입니다. 세포 현탁액(Cell suspension)을 매트릭스와 섞을 때 거품이 생기지 않도록 주의하고, 일정한 크기의 오가노이드만 선별하는 Cell Strainer 과정을 거치는 것이 좋습니다. 또한, Millicell®과 같이 웰(Well) 간 편차가 적은 플레이트를 사용하면 데이터의 신뢰도를 높일 수 있습니다.

오가노이드가 일정 크기 이상으로 커지면 중심부까지 산소와 영양분이 도달하지 못하는 '저산소증(Hypoxia)' 현상이 발생합니다. 이 경우 배지 교체 주기를 단축하거나, Millicell® Cell Culture Inserts와 같이 배양액이 상하부로 모두 접촉할 수 있는 시스템을 사용하여 투과 효율을 높여야 합니다.

성장 인자의 역가(Activity)를 체크해야 합니다. 단백질 특성상 반복적인 동결-해동(Freeze-thaw)은 활성을 급격히 떨어뜨립니다. 머크의 고순도 성장 인자를 소량씩 분주(Aliquot)하여 보관하고, 배지 제조 후에는 가급적 1~2주 이내에 사용하는 것이 PDO 형성률을 높이는 실무적인 방법입니다.

PDO는 일반적으로 여러 차례 passaging 후에도 안정적인 특성 유지가 가능합니다. 특히 LGR5⁺ 줄기세포 기반 PDO의 경우 장기간 배양 및 반복 passaging 후에도 종양의 주요 생물학적 특성이 유지된다는 보고가 있어, 재현성 있는 실험에 적합합니다.

가능합니다. PDO는 환자 유래 정상 오가노이드와 질병 오가노이드를 모두 활용할 수 있어, 약물 효능 평가뿐 아니라 독성 평가(toxicology) 에도 적용할 수 있습니다.

일부 가능합니다. 예를 들어 colon organoid를 단층(monolayer)으로 배양하고 Millicell® Hanging Inserts를 활용하면 TEER 측정 기반 장벽 기능 평가가 가능하여, 기존 2D ADME 모델을 보완할 수 있습니다.

이 경우 PDO 기반 Drug Screening Service를 활용할 수 있습니다. 전문 기관에서는 PDO 확립부터 약물 처리, 데이터 분석까지 포함한 서비스를 제공하므로, 연구자는 인프라 부담 없이 고품질 약물 반응 데이터를 확보할 수 있습니다