첨단 과학 기술과 의학의 융합, 3D 바이오프린팅

세포 3D 프린팅으로 인공장기의 혁명

[객원에디터2기|김채현기자]늘어나는 장기 이식 대기자들과 기증자 부족 현상에 대응하기 위해 인류는 세포를 3D 프린팅 하는 바이오프린팅 기술을 개발 중에 있다. 장기이식의 대기 일수는 평균 5년이며, 이마저도 면역 거부반응과 같은 부작용이 있을 수 있다. 하지만 3D 바이오프린팅을 통한 장기는 자가 세포를 이용해 만들 수 있어 면역 거부반응이 없다.

바이오 프린팅은 3D 프린터와 생명공학을 결합한 기술로, 살아 있는 세포를 원하는 방식으로 적층 인쇄해 조직이나 장기 등을 제작하는 것을 말한다. 최초의 바이오프린팅 기술은 2008년 일본의 도야마대 교수 나카무마 마코토로부터 개발되었다. 나카무라 마코토 교수는 프린터가 분사하는 잉크 방울 크기가 인체 세포 크기와 비슷하다는 점을 발견했고, 이 점을 착안해 최초로 잉크젯 프린터로 생체 구조물을 찍어내는 데 성공했다. 

바이오프린팅의 주재료는 바로 바이오 잉크(Bio ink)이다. 바이오 잉크는 원하는 장기로부터 세포를 체취해 콜라겐(collagen), 피브린(fibrin)과 같은 고분자들이 섞여 있는 수화젤(hydrogel) 형태이다. 바이오 잉크는 바이오 프린팅의 생화학적인 모사를 담당하는 핵심 재료로써, 환경의 변화에도 기질을 유지할 수 있도록 하는 기술이 관건이다.

한편 2018년 5월 영국의 뉴캐슬대 연구진은 세계 최초로 바이오 잉크를 각막 줄기세포와 혼합해 사람의 각막을 인쇄했다. 이처럼 바이오 잉크는 줄기세포를 포함한 다양한 조직세포를 포용할 수 있다는 측면에서 바이오 프린팅 기술이 생성할 수 있는 장기의 다양성을 보여준다. 

장기의 물리적인 모사를 담당하는 3D 프린팅 기술을 담당하는 3D 프린터 기술 또한 바이오 프린팅의 핵심 기술이다. 3D 바이오 프린팅의 핵심은 바로 환자에게 ‘맞춤형 장기’를 제공할 수 있다는 것이다. 이 특성은 환자의 신체에 적합한 모양과 세포의 장기를 이식함으로써 장기이식 시에 환자의 위험 감수가 감소할 뿐만 아니라 적합한 기증자가 나타나기까지 기약 없이 기다려야 한다는 단점을 해소할 수 있을 것으로 보인다.

한국보건산업진흥원에 의하면 지난 8월, 국내 연구팀은 세계 최초로 3D 바이오프린팅을 이용한 난치성 기관 결손 환자의 맞춤형 이식용 인공 기관을 개발해냈다. 난치성 기관 결손 질환은 기관의 변형으로 인해 발생하는 질병으로 오늘날까지 대체 치료제가 없었지만, 바이오 프린팅을 이용한 인공 기관 제작은 새로운 치료 방법의 전망을 기대토록 한다. 

비록 장기이식을 위한 간, 심장과 같은 핵심 인공장기의 개발은 한참 진행 중에 있지만, 오늘날 바이오 프린팅 기술은 생체 조직 칩을 제작해 내는데 이르렀다. 3D 생체 조직 칩은 실제 장기의 역할을 담당할 수 있는 칩으로써, 신약 개발을 위한 실험 등에 이용되고 있다. 예를 들어, 신약 개발 실험의 핵심인 간독성 평가에 3D 장기 칩을 이용함으로써 동물실험을 대체할 수 있다.