오태광의 바이오 산책 <68> 인체 기관을 만드는 3D 바이오프린팅 기술 > News Insight

 인구 고령화는 세계적으로 가속화되고 있고 이에 따라 노후화하여 병들어 사용할 수 없는 인체 장기의 대체 필요성은 커지고 있지만, 장기 수급 불균형으로 극심한 이식 장기가 부족하여 이식을 대기 중에 사망하는 환자 수가 급증하고 있다. 대책으로 동물 장기를 이용하고 있는 이종 장기를 사용하는 이식은 일부 가능성은 보이지만, 윤리적 문제는 물론 실제로 사용 시 가장 대표적으로 면역거부 반응으로 평생 면역억제제 복용은 물론, 심지어 인수공통 감염병 및 신종 질병 발생의 우려가 크다고 한다. 이런 이종 장기의 문제점을 해결하는 방안으로 바이오프린팅이 좋은 방안으로 검토되고 있다. 바이오프린팅은 환자 본인의 세포나 줄기세포를 배양하여 사용하기 때문에 면역거부 반응은 해결할 수 있고, 환자 개개인의 맞춤형 인공장기를 제작할 수 있다는 큰 장점이 있다. 

바이오 프린팅된 인공장기에 가장 중요한 사항은 프린팅에 사용하는 최적화된 바이오 잉크(Bio-ink)가 필요하다. 바이오 잉크는 생체에 적합하고 구조적으로 안정성이 있고, 세포 성장 촉진 및 조직 재생속도와 일치하는 생체 내 분해 속도를 가져서 이식 시 생체 내에서 항상성을 유지하여야 한다. 이외에 기계적으로 프린팅할 때 높은 해상도로 정밀하게 구조를 만들어 줄 수 있는 물리적 특성을 갖추어야 한다. 특히, 생체 기관인 심장, 신장, 위, 이자, 귀, 코, 혈관, 뼈 등 구성 조직체와 같은 구성성분으로 프린팅하여야 해서 프린팅하는 인체 기관에 따라 각기 다른 잉크가 필요하여 실제로 임상에 적절한 바이오 잉크개발이 매우 중요하다. 

또한, 바이오프린팅에 사용하는 하드웨어도 시간적, 공간적 제약성이 커서 매우 까다로운데, 프린팅 한 세포의 생존율 보장과 아주 오랜 시간 외부로부터 오염 시는 심각한 문제가 발생하기 때문에 완벽한 무균환경 유지는 어려운 과제이다. 특히, 바이오프린팅 하드웨어에 대한 특정한 규정은 국제적으로 의약품을 총괄 관리지침을 만드는 미국식품의약국(FDA)에도 아직은 없고, 현재는 CBER(Center for Biologics Evaluation and Research)을 기준을 참조한다고 한다.

인류의 건강에 필요로 하는 3D 바이오프린팅 기술은 생명 중심 연구에 가장 중요한 영역 중 하나가 될 것으로 판단한다. 현재도 연평균 성장을 20%나 차지하는데도 말 없는 성장세(바이오프린팅 재생의료 연구회 창립 심포지엄, 2023.3.27.)을 하는 것으로 기술의 산업적 중요성을 대변하고 있다. 바이오프린팅 기술이 환자 맞춤형 의료제품 제작의 실용화를 앞당길 수 있는 차세대 조직공학 기술로 평가되어, 국내 식품의약품안전처는 ‘3D 바이오프린팅 제품 등 세포-지지체 복합제품의 평가 기준, “환자 맞춤형 3D 바이오프린팅 기술적용용 복합 제제 비임상 평가 기준” 등의 가이드 형식 규제 지침을 제정하여 제공하고 있다. 

<3D 바이오프린팅이란?>

3차원(3D, 3-Dimension) 프린팅은 이미 잘 알려진 기술로 초기에는 입체적으로 물체를 뽑아내는 기술로 발전하여왔고, 재질은 플라스틱에서 금속에 이르기까지 비 생체 물질로 간단한 3차원 형상을 만들어서 상용화하였다. 현재는 자동차, 비행기 부품, 음식물, 심지어 건축물도 3차원 프린팅할 수 있다. 복잡한 3차원 형성을 자유롭게 제작할 수 있는 3D 프린팅 기술을 의료 분야에서는 초기 뼈, 치아 등과 같은 고체 구조에서 현재는 인체조직과 장기와 같은 복잡한 3차원 구조를 생체에 적합한 환자 자신의 세포나 단백질을 배양하여 하이드로젤과 혼합한 환자 맞춤형 바이오 잉크로 원하는 모양의 장기나 조직을 입체적으로 인쇄할 수 있다. 3D 바이오프린팅을 이용한 단단한 뼈나 치아의 경우는 CT나 MRI 영상자료를 바탕으로 환자 맞춤형으로 제작할 수 있다. 안면 결손 부위에 대한 모델링(Modelling) 및 암면 골 재건용 인공지지체 제작(2014)하여 환자에게 성공적으로 인식한 예는 <그림 1>(1)과 같고, 실제 세포와 같은 생물 소재를 사용하여 인공 심장, 혈관, 피부를 제작할 수 있는데, 투명한 인공각막과 체외 테스트용 인공피부를 제작한 예는 <그림 1> (2) 와 같다. 

 인공각막은 바이오프린팅의 대표적인 성과로 2018년 영국 뉴캐슬대학에서 각막 기증자의 건강한 각막세포와 줄기세포, 생체적합 물질로 만든 하이드로젤 혼합물을 인공 각막용 잉크로 개발하였다. 포항공과대학도 3D 프린팅 한 각막을 <그림 1>(2) A에서 보듯이 프린팅하지 않은 각막에 비해 훨씬 투명한 각막을 얻을 수 있다. 바이오프린팅 기술에 인공지능(AI)기술을 접목하여 당뇨병성 족부궤양(당뇨발)을 “로켓 헬스케어”라는 회사에서 당뇨발 치료용 패치 기술을 사용하였다. 당뇨발 패치는 의사가 태블릿PC로 상처 부위를 촬영한 후 기계학습(Machine running) 모델을 통해 패치를 디자인한 뒤 3D 바이오 프린터로 출력한다. 우리나라와 미국, 인도 등 5개국에서 시행된 임상시험에서 인종, 나이, 환부의 크기나 위치에 상관없이 환자 맞춤형 패치 시술이 가능한 것으로 평가됐다(헬스 경제, 2023.5.22).

당뇨발 이외에 골관절염 치료에도 사용했는데, 관절경을 통해 손상된 연골 부위를 촬영하고 패치를 3D 프린팅하여 수술했을 때 골관절염 지수(WOMAC)가 75% 감소(이집트 임상시험)한 것으로 나타났다. 만성신부전증 환자는 콩팥의 지속적 손상 때문에 혈액투석이나 신장이식이 필요한데, 신장이식은 다른 장기이식과 마찬가지로 적어도 5년 이상 기다려야 하고, 환자가 혈액을 투석하려면 일주일에 3~4차례 투석을 받아야 하는 불편함이 있다. 신부전증용 그물 막(Omentum)형 패치를 개발하였고, 쥐 시험에서 섬유화를 막아주는 좋은 결과를 얻었다. 신부전증 환자는 불편한 혈액을 계속 투석하여야 하고, 오랜 기간 기다렸다가 신장을 이식하여도 면역거부를 막기 위해서 면역억제제를 먹는 불편함을 해소하는 새로운 3D 프린팅 치료법이 가까운 장래에 가능(로켓 헬스케어)할 것으로 기대한다.

또한, 줄기세포를 이용한 3D 프린팅은 많이 사용하고 있고, 오르가노이드 세포를 3D 프린팅으로 쌓아 올려서 인체조직처럼 사용하는 기술도 사용하고 있다. 췌장이 좋지 않은 환자에서 뽑아낸 췌장 세포 중 건강한 것을 선별하여 인공 배양한 다음 3D 프린터로 찍어서 장기모양을 만들어 인공장기로 사용할 수 있다는 이론이다. 바이오프린팅으로 뼈, 인대, 장기 형태로 세포 주조(鑄造)를 만들고 여기에 오르가노이드 세포, 일반 세포 및 세포 접착제를 덧붙여서 3D 프린팅하여 필요한 인공장기를 실제로 만들어 사용할 가능성은 크다. 인체 내에 3D 프린팅 한 장기(臟器)로 교환하더라도 세포가 살아남기 위해서는 혈관이 연결되어 산소와 에너지가 공급되어야 하는데, 실제로는 모세혈관을 인공장기에 만드는 것과 모세혈관을 우리 몸에 연결하는 것은 아직 까지는 매우 어렵다. 연구 동향 분석 따르면 바이오 인공장기는 수년 이내에 일부 기술은 상용화될 것이고 약 10년 후에는 일부 인공장기가 실제로 의료시장에서 거래가 될 것으로 기대되고 있다.

<3D 바이오프린팅 과정과 응용>

바이오프린팅을 하기 위해서는 먼저 생체조직의 스캔(Scan)이 필요한데 이때 사용하는 기계는 바이오 스캐너나 의료 영상 장치(CT, MRI 등) 등을 사용하여 환자의 실제 조직구조를 작성한 후 <그림 2>와 같은 바이오 프린트로 인간 조직과 장기를 만든다. 

 당뇨발처럼 외부에서 충분히 관찰되는 기관일 경우는 개인이 가지고 있는 태블릿PC를 사용해도 충분하다. 스캔된 데이터를 기반으로 디지털 3D 모델을 만드는데, 이때 더욱 정확한 데이터를 만들기 위해서 인공지능을 사용한다. 모델로 만든 부분의 생체 구성분을 조사하고 정확한 생체재료를 선택하여 3D 프린팅 잉크를 만드는데, 세포, 생체조직, 생체지지체, 성장인자 등을 생체재료로 사용한다. 선택된 생체재료를 바이오 프린터로 쌓아서 적층(積層)을 만들어 생체조직을 만들고 적절한 온도와 환경을 제공하여 정확한 생체조직을 형성한다. 프린팅으로 생성된 생체조직은 자연스럽게 응고되고 조직이 성장하게 되면 기관의 3D 프린팅이 완성된 것이다. 

바이오프린팅 방법도 3D 바이오 도트 프린팅 기술은 다수의 세포 덩어리로 된 세포 원형 집합체인 세포 스페로이드(Cell spheroid)는 2차원의 세포배양환경보다 3차원 생체 구조와 유사하여 조직공학 및 조직모델 제작 전반에 사용할 수 있는 장점이 있다. 이렇게 세포의 군집 체는 세포 간의 접합 상호작용(Contact-dependent interaction)이 향상되어 세포 생존율, 단백질 분비 등 여러 가지 목적에 맞는 용도로 사용된다. 스페로이드 간 간격을 활용하여 실제로 인간 세포의 주변 분비 교신(Paracrine interaction)을 할 수 있게 된다. 즉, 그림 3.에서 보듯이 암세포와 섬유아세포 스페로이드를 이용한 암세포 침습 효과나 혈관내피세포와 간세포 스페로이드의 간격 조절로 주변 분비를 증가시키는 모델 연구에도 사용되고 있다. 

즉, 개발된 도트 프린팅을 기술은 암이 섬유아세포 침습 모델이 결정되면 암 치료에 도움을 줄 수 있을 것이고 주변 분비 상호작용으로 간 질환 치료에 도움이 되고, 아울러 줄기세포 스페로이드 기반 이식용 이종 장기 개발 등(동아 사이언스, 2023.7.11.)이 가능하다. 바이오프린팅의 응용은 현재 크게 4가지 방법으로 응용되는데, 첫 번째는 재생의학에서 사용은 손상된 조직 재생 또는 장기를 대체에 사용되고 있다. 두 번째는 프린팅으로 만든 생체조직을 이용하여 신규 약물 효과를 시험하여 약물 개발을 효율화시킬 수 있다. 세 번째는 바이오 프린팅된 기관과 조직을 모형화하여 질병 연구와 장기의 실질적 기능성 연구에 활용할 수 있다. 네 번째는 유전자 정보와 생체조직 데이타 기반으로 개인맞춤형 의료 서비스의 제공이 가능하게 된다. 

<3D 프린팅으로 인체 이식(移植)한 최근 성공사례>

 선천적으로 작은 귀를 가진 소이증(小耳症)인 20살의 미국 여성이 3D 바이오 프린팅한 귀를 이식하여 <그림 4>와 같이 성공한 사례(한겨레, 2022.06.08)가 발표되었다. 바이오프린팅으로 만든 조직(귀)을 인체에 성공적으로 이식한 것은 놀라운 조직공학의 발전으로 평가하고 있다. 보통, 소이증 환자의 귀 재건술로 사용한 재료는 플라스틱이나 금속을 재료로 쓰거나 환자 늑골의 연골조직을 채취하여 사용했는데, 본인의 몸에서 채취한 세포를 이용한 것은 최초이다. 방법은 환자의 세포를 일부 채취하여 수십억 개의 세포로 증식시킨 후, 재료로 사용한 생체 물질을 무균상태로 유지된 콜라젠 기반의 바이오 잉크를 사용하였다. 앞으로 5년 후까지 추적조사를 거쳐서 완전한 성공 여부를 판단할 예정이다.

 현재까지의 임상시험에 성공한 “3D ​ 바이오 테라퓨틱스(3D Bio Therapeutics)”사는 개발된 기술을 적용하여 척추디스크, 코, 무릎의 반월판 등 다른 신체 부위를 만들 수 있을 것으로 설명하였고, 장기적으로는 간, 신장, 심장, 췌장, 폐 등과 같은 복잡한 장기개발도 가능할 것이라고 기대하지만 아직 넘어야 하는 산은 많을 것으로 생각한다. 최근에는 줄기세포나 장기 세포에서 분리한 세포를 3D 배양법으로 응집, 재조합하여 만든 특이적 세포 집합체로 장기유사체인 오르가노이드(Organoid)와 하이드로젤을 결합하여 다공성 조직을 배양하고 있다. 배양한 다공성 조직을 바이오프린팅과 결합하여 조직구성을 향상하게 시켰고, 오르가노이드와 바이오프린팅 결합기술과 조직 내 혈관을 만드는 시도도 하고 있다. 이식 장기를 대상으로 삼는 생체조직에 직접적으로 바이오 프린팅하는 기술로 절개 부위나 화상 부위에 적절한 피부조직을 직접 프린팅(Skin bioprinting)하거나 병들어서 제거한 조직이나 장기가 몸속에 원래 있던 곳에서 환자의 세포를 활용하여 직접 바이오 프린팅하는 제자리 (In situ) 바이오프린팅도 개발되고 있다. 

<맺는말>

3D 프린팅 기술로 작은 장난감을 만들 때는 재미있는 일이라 생각했는데, 3차원으로 인간의 코, 귀 뿐만 아니라 중요한 장기까지 만들어 사용할 수 있다는 재생의료 공학의 첨단 기술을 조사하면서 4차 산업혁명 이후 빠른 기술의 발전은 이미 우리의 상상을 뛰어넘고 있다. 인체에 있는 모든 기관이나 장기는 언젠가는 자동차에 문제가 있는 부품이나 엔진까지 새 부품이나 엔진으로 바꾸어 사용하듯이 노화하거나 병들어 사용이 어려운 장기를 마음대로 교체하여 사용할 수 있는 시대가 점점 다가오고 있다고 생각한다.

 특히 고령화 사회로 진입하면서 장기이식 수요는 매년 증가하고 있는데, 장기 기증자는 매우 부족한데 이를 극복할 수 있는 대안 기술로 3D 바이오프린팅을 활용한 의료기술이 주목을 받고 있다. 현재(2012년에서 2016년까지), 우리나라도 하루 평균 3.17명이 장기 기증자를 기다리다 사망하고 있어서 빨리 3D 프린팅을 활용한 장기이식 기술이 필요하다. 하지만, 인공장기나 신체조직 재건을 위한 3D 프린팅 연구는 많이 진행되고 있지만, 아직 임상과 상용화 단계까지는 미치지 못하고 있는 것이 현실이다. 또한 3D 프린팅으로 해결하기 어려운 생체 기관은 4D 프린팅인 자가조립이 가능한 소재 개발도 많이 발전하고 있다. 특히, 3D 프린팅에 사용되는 다양한 바이오 잉크가 개발되어서 프린팅할 수 있는 장기와 조직이 늘어나고 있는 것은 고무적이지만 아직 명확한 안전성과 유효성 평가는 수립되어 있지만, 체내 이식 시 안전한지 평가를 하기 위한 기준은 부족하여 임상시험에 따른 구체적인 규제방안은 안정성을 보증할 수 있게 조속한 수립이 필요하다.

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