안녕하세요! LG CNS 대학생 기자단 김보겸입니다.

영화 <아저씨>를 보셨나요? 장기 적출을 위해 사람들을 납치해서 장기를 비싼 가격에 파는 불법 장기매매에 대해 다루었는데요.

장기에 문제가 생겼을 때 실제 인간의 장기가 아닌 프린터로 생산된 장기로 교체할 수 있다면 불법 장기매매가 없어지지 않을까요? 재생의학의 발전은 이를 실현가능한 미래로 만들고 있습니다. 오늘은 그 중 하나인 ‘바이오프린팅(Bioprinting)’에 대해 소개드리도록 하겠습니다.

바이오프린팅이란?

바이오프린팅은 3D프린터로 인공장기를 프린트하는 것입니다. 기본적으로는 3D프린터의 원리를 따르고 있습니다.

● 3D 프린팅, 부가가치를 출력하다 : http://blog.lgcns.com/870
● 3D 프린팅 시장과 3D 프린팅 제조 플랫폼 동향-우리의 삶을 바꿔가는 3D 프린팅 : http://blog.lgcns.com/873

하지만, 바이오프린팅은 출력에 사용되는 물질이 일반 3D프린터와는 다릅니다. 미국 웨이크포레스트 대학의 재생의학 연구소 박사인 앤소니 아탈라에 따르면, 장기를 출력하는 바이오프린팅 기술에는 출력 재료로 잉크 대신 세포를 사용하는 특수 프린터를 사용한다고 합니다. 생체 재료로서의 세포는 출력된 장기를 이식받을 환자 자신의 세포나 단백질 등을 배양한 것입니다.

프린터 안으로 옮겨 간 인체 내 조직 발생 과정

바이오프린팅이라는 아이디어를 도출한 세 가지 주요 개념이 있습니다. 생체모방(Biomimicry), 소형 조직(Mini tissues), 그리고 자율성 자기조립(Autonomous self-assembly)입니다.

1. 생체모방(Biomimicry)

Biomimicry(생체 모방)은 Bios(생명)와 mimesis(모방)의 합성어로, 생물의 기본 구조와 원리, 메커니즘 등 생물체의 특성을 산업 전반에 적용하는 것을 의미합니다. 3D 바이오프린팅으로의 적용은 조직과 장기의 세포나 세포의 구성물을 동일하게 복제하는 것과 관련이 있습니다. 생체모방 방법이 성공하기 위해서는 아주 작은 규모(microscale)로 생물학적 조직을 복제하는 기술이 필요합니다.

2. 소형 조직(Mini tissues)

인간의 장기는 작은 조직으로 구성되어 있고, 이 작은 조직들이 자기조립을 통해 더 큰 단위인 장기가 되는 것입니다. 작은 조직들이 모여서 우리 몸에서 특정 기능을 하는 장기가 되는 조직 발생의 특성을 3D 바이오프린팅에 적용할 수 있습니다.

3. 자율성 자기조립(Autonomous self-assembly)

배아기관의 발달을 3D 바이오프린팅의 가이드로 사용할 수도 있습니다. 발달 단계에 있는 조직의 초기 세포를 구성하는 물질은 이상적인 기능과 구조를 가진 조직을 만들기 위해 자율성 자기조립 방식을 택합니다.

여기에서 개별 세포들은 조직의 기능적, 구조적 특성을 결정하는 요소로 작용하는데요. 인체의 조직발생 특성인 자율성 자기조립을 바이오프린팅에 적용하기 위해서는 배아조직과 기관의 형성에 대한 지식뿐만 아니라 출력된 조직에서 배아 메커니즘을 이끌어내는 환경을 조정하는 방법을 알아야 합니다.

이처럼 다양한 기능적, 구조적, 기계적 구성물질을 가진 복합 3D 바이오프린팅 기술을 사용하기 위해서는 이 세 가지 개념들에 대한 종합적인 이해가 필요합니다.

어떻게 출력할 것인가?

인체 조직을 출력하기 위해서는 세포를 한 층씩 쌓아 올려야 합니다. 이 때 세포를 손으로 쌓는 것이 아니라 프린터로 인쇄해 한 겹씩 쌓아 올립니다. 또한 쌓아 올릴 때 형태에 대한 정보도 필요한데요. 생물학적 물질의 적층과 정형화에 사용되는 기술에는 3가지가 있습니다.

1. 잉크젯 바이오프린팅

잉크젯 바이오프린팅은 생물학적과 비생물학적 3D 프린팅 모두에 있어 가장 일반적으로 사용되는 방식입니다. 프린트 준비시간이 짧고 출력속도가 높고 비용은 적게 든다는 장점이 있습니다. 2D 잉크프린터에서 카트리지 안의 잉크는 생체물질로, 종이는 3차원 출력을 위한 z축을 조절하기 위해 전자적으로 조정된 ‘승강기’로 대체되었다고 생각하시면 됩니다.

2. 미세압출 (Microextrusion) 바이오프린팅

일반적으로 사용되는 3D 프린터, 그 중에서도 비생물학적 프린터는 미세압출 방법을 사용합니다. 이 기술에서 ‘잉크’는 액체 방울로 떨어지는 것이 아니라, 구슬 방울로 만들어져 그것을 적층해 물체를 출력합니다. 고밀도로 세포를 적층할 수 있다는 장점이 있는데요. 이는 복잡한 구조를 형성하는 데 필요하다는 점에서 중요합니다.

3. 레이저보조 (Laser-assisted) 바이오프린팅

앞서 소개한 잉크젯 방식이나 미세압출 방식에 비해 일반적으로 사용되는 방식은 아닙니다. 하지만 이 두 방식과 달리 노즐이 없어서 세포나 생체물질이 출력 도중 막히는 문제가 없다는 장점이 있습니다. 이 장점을 바탕으로 조직과 장기를 구성하는 데 점점 더 자주 사용되고 있긴 합니다만, 출력 준비 시간이 오래 걸리고 출력 비용이 높다는 단점이 있습니다.

바이오프린팅으로 만들어진 인공장기의 특성

바이오프린트된 인공장기는 환자의 조직을 그대로 가져다 사용하거나 그와 유사한 재료를 사용하기 때문에 환자의 몸에 이식되었을 때 원래 있던 장기처럼 사용할 수 있습니다.

유니버시티 칼리지 런던(University College London)의 재생의학 교수인 알렉산더 사이펠리안은 바이오프린팅을 통해 인공 귀를 출력했는데, 이 인공 귀는 이식받는 사람의 피부 아래에 있는 혈관과 결합해 몸의 일부가 될 수 있습니다. 즉, 출력을 통해 만들어진 귀가 몸과 결합해 귀의 기능을 온전히 할 수 있는 것입니다.

기존의 인공심장이 합성고분자 재료를 사용했기 때문에 심장으로 온전한 기능 하는 것이 아니라 보조역할만 했다는 점을 고려하면 바이오프린팅은 한층 더 인간의 것과 가까운 조직을 생산할 수 있다는 의의가 있습니다.

바이오프린팅 적용 사례

바이오프린팅을 통해 만들어진 인공 장기는 이식용으로 쓰이기도 하지만 의약품이나 생활용품, 화장품 등 생체실험이 필요한 분야에서 실험용으로 쓰이기도 합니다.

이식용으로 쓰인 사례로 2013년 9월 미국 미시간대학병원에서 바이오프린터로 폐 부목을 제작하여 손상된 폐를 수술한 경우가 있습니다. 또한 2013년 1월 미국 코넬대 연구팀은 콜라겐과 연골세포를 이용해 인공 귀를 제작하는 데 성공했습니다. 이 인공 귀는 인체에 부착하면 자랄 수 있어서, 외관상으로도 원래의 귀처럼 보인다고 합니다.

다음으로, 인공 장기를 실험용으로 적용한 사례로는 2015년 5월 26일 싱가포르에서 개최된 바이오프린팅 연구 경진대회에서 P&G가 빠르고 저렴하게 자사 제품의 독성과 효용성 테스트를 하기 위해 인공 장기를 사용한 경우가 있습니다.

또한 미국의 바이오프린팅 스타트업인 오가노보와 프랑스 화장품 회사인 로레알이 협력하여 인공피부를 만드는 사업에 진출한 경우도 있습니다.

신약 후보들은 인체에 미치는 독성을 테스트할 방법이 한정적입니다. 바로 사람이 직접 먹어보는 것인데, 이는 섣불리 실험하기 쉽지 않겠지요. 이런 이유로 임상실험에 탈락해서 시장에 나오지 못하는 경우가 많다고 합니다.

이 때 바이오프린팅 기술을 통해 출력된 인공장기를 이용한다면 기존 방법보다 안전하게 임상실험을 하는 것이 가능해지겠죠. 동물실험을 대체하는 데 인공장기가 쓰일 수도 있습니다.

바이오프린팅, 앞으로의 과제

초기 바이오프린팅으로 출력할 수 있었던 인공장기는 귀, 코, 피부, 뼈, 관절 등 비교적 단순한 구조인 것들이었습니다. 기술의 발전에 따라 이제는 간이나 신장 같은 복잡한 기능의 장기를 재현하는 것도 가능해졌는데요. 이보다 더 복잡한 구조의 장기 재현을 위한 기술 발달이 필요하겠지요?

3D프린터로 건설할 세포외기질(ECM)의 복합마이크로 물질과 다양한 생물학적 기능을 수행할 수 있는 다중셀 타입을 생산하는 것, 이렇게 만들어진 장기가 오래 생존할 수 있도록 유지하는 것이 앞으로의 과제라 할 수 있겠습니다.

지금까지 바이오프린팅에 대해서 살펴보았습니다. 여러분 어떠신가요? 공상과학 영화에서 가능했던 일들이 우리 눈 앞에 현실로 펼쳐지고 있는데요. 바이오프린팅도 그 중 하나라고 할 수 있습니다. 앞으로 바이오프린팅이 더 정교화되어 장기이식이 필요한 많은 사람들이 혜택을 받을 수 있는 날이 오기를 기대합니다.