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3D 세포프린팅 기술, 첨단바이오의약품의 새 장을 열다

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작성자 CoGIB 작성일17-02-15 13:33 조회289회 댓글0건

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조 동 우 교수 (포항공과대학교 기계공학과)

 

 

3D 프린팅을 활용한 맞춤형 의료 실현

우리 몸의 장기는 다양한 요소로 이루어져 있고 매우 복잡한 해부학적 구조를 가진다. 신장의 네프론, 사구체나 간의 미세한 소엽구조가 이의 대표적인 예다. 이러한 고유의 미세 구조는 우리 몸의 시스템을 체계적으로 유지할 수 있는 기본적인 단위이고, 생명 유지의 근간이다.

최근 이러한 기능적 기본 단위를 구조적으로 모사하여 고유의 기능을 구현하도록 하는 다양한 바이오공학(Biofabrication) 기술이 개발되고 있다. 이러한 개념과 조직공학을 접목하여 생물학적으로 인체 장기와 매우 유사한 환경을 구현하는 것이 해당 기술이 직면한 큰 과제이다. 그러나, 단순한 혼합 방식을 통해 2차원 구조를 형성하는 것은 장기의 고유 기능을 모사하는데 한계가 있다.

이를 극복하기 위해서는 보다 정밀한 제작 기술이 필요하다. 특히, 3D 프린팅은 원하는 재료를 이용하여 구현하고자 하는 형상을 제작할 수 있는 유망한 기술이며, 환자의 의료정보(e.g. CT, MRI ) 맞춤형 치료에 적용하기 적합한 기술로 각광받고 있다. 실제로 이 기술은 조직 재건을 돕는 인공지지체 제작에 활용되고 있다.

지난 2014년 서울성모병원과 포스텍 공동연구진은 방사선 치료로 인해 안면골 성장이 불균형적인 환자의 함몰된 광대뼈를 정상으로 회복하기 위해 생분해성 생체재료로 3D 프린팅하여 만든 환자 맞춤형 인공지지체를 성공적으로 이식한 바 있고, 미국 미시건 대학교 연구진은 기도연화증을 가진 아기의 기도 주변에 부목을 대어 성장을 도와줄 수 있도록 생분해성 맞춤형 지지체를 이식하였다.

이 외에도 치아 교정기, 보청기, 의족 제작이나 수술 Planning용 모형 등을 제작할 수 있어 의료현장에서의 활용 가치가 매우 높다.

 

인체에 보다 가까운 인공장기 개발에 주력

환자 본인의 세포를 이용하여 인공 장기를 개발하게 되면 타인으로부터 장기 이식을 받게 될 때에 가장 치명적인 문제로 여겨지는 면역 거부 반응으로부터 자유롭다는 장점이 있다. 또한, 환자의 생물학적 특성을 그대로 반영하는 역분화 줄기세포와 유전적 결함을 교정할 수 있는 유전자 편집 기술에 관한 지속적인 연구, 다양한 의료 정보를 분석할 수 있는 IT 기술, 그리고 3D 세포프린팅 기술의 형상 제작능과 반복성 등의 장점은 큰 시너지 효과를 낼 가능성이 높기 때문에 차세대 첨단바이오의약품으로써 각광을 받고 있다.

특히 세포를 3D 세포프린터로출력하여 원하는 형상을 구현할 때, 세포의 생존과 구조 유지를 돕기 위해 사용하는 재료, 즉 바이오잉크는 원하는 조직으로 재생을 유도하기 위해 매우 중요한 역할을 한다.

바이오잉크는 3차원 형상을 구현하기에 적합할 뿐만 아니라 세포의 기능을 촉진시켜 실제 조직과 유사한 기능을 수행할 수 있도록 도와주는 재료를 선정해야 한다. 실제로, 생체 조직 및 장기로 부터 유래한 바이오잉크를 사용하여 인공 조직을 제작했을 때, 다른 어떤 재료를 사용할 때 보다 세포의 활성능을 현저하게 향상시킬 수 있어 조직의 재생 기능을 촉진함을 검증한 바 있다.

이러한 3D 세포프린팅 기술은 전통적인 조직공학 기법으로 구현하기 어려운 다종복합 조직을 재건하는데 큰 역할을 할 것으로 기대된다. 예를 들어, 우리의 주요 관절을 이루는 골연골 조직(Osteochondral tissue)을 제작할 때 뼈(콜라젠)와 연골(히알루론산)을 이루는 재료를 이용하여 해부학적 구조에 따라 구획화하여 제작이 가능하다. 또한, 신장의 네프론을 이루는 구불구불한 형상의 근위 세뇨관(Proximal Tubule) 구조를 모사함으로써 나트륨 이온 및 물의 흡수 기능을 구현할 수 있고, 특유의 세포 배열을 구현하여 약물 반응 테스트용 체외 생체모델로 활용하기에 매우 용이하다. 뿐만 아니라, 손상된 장기를 대체할 수 있는 실제 크기의 인공 장기는 내부 혈관의 재생이 필수적이다. 따라서, 세계 유수의 연구자들이 3D 프린팅된 인공 조직체 내 인위적 혹은 자연적인 방법을 통해 혈관의 재생을 유도하기 위한 연구를 활발히 진행 중이다.

3D 세포프린팅 기술을 이용한 조직공학적 전조직체 제작 기술은 나날이 더욱 우수해지고 있으며, 그 디자인과 기능성에 있어서도 실제 인체 내 존재하는 조직 및 장기에 보다 더 가깝게 제작되고 있다.

현재 우리 나라의 장기이식 대기자는 2015년 질병관리본부 자료 기준 27,444명에 달하지만 기증자가 없어 실제 이식을 받은 환자는 2,565명 뿐이다. 이러한 3D 프린팅 기반 인공 장기 제작 기술이 가까운 미래에는 일부 기능적 구조를 재생하는데 활용될 것으로 기대되고 있다.

 

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3D 세포프린팅 기술과 더불어 줄기세포 및 유전자 편집 기술과의 접목 등 새로운 기술간의 조합은 차세대 첨단바이오의약품으로 발전할 것으로 기대한다.

최근 크리스퍼 유전자 가위를 이용한 유전자 편집 기술은 헌팅턴병이나 혈우병과 같은 불치성 유전병을 치료할 수 있는 방안으로 각광받고 있다. 또한, 급성림프성 백혈병은 특정 유전자의 대물림으로 인해 발생할 가능성이 높다고 알려져 있고 국내 소아암 중 가장 많은 암이다. 현재는 백혈병을 치료하려면 면역이 적합한 제공자를 찾아야 하고, 제공자의 뼈에 바늘을 꼽아 골수를 뽑는 힘든 시술을 반복적으로 수행해야하는 어려움이 있다. 뒤센 근이영양증은 난치성 유전질환으로 근육을 유지하는 디스트로핀 단백질의 결핍으로 인해 팔, 다리 등의 근육이 굳어져 결국 전혀 움직일 수 없게 되는 유전질환이다.

이러한 환자의 줄기세포를 이용하여 유전자를 교정한 뒤 주입하는 치료 기술를 적용한다면 새로운 치료 방안으로 활용할 수 있을 것이다. 또한, 교정된 줄기세포를 3D 세포 프린팅 기술을 통해 체내에서 오랫동안 효능을 유지할 수 있도록 조직화하여 체내에 이식하게 되면 그 기능이 배가 될 것으로 예측할 수 있다.

 

경쟁력 있는 첨단바이오의약품 기술의 기반 확충

3D 세포프린팅 기술로 제작된 다양한 생체 모사 조직 및 장기 모델은 생체 외 배양을 통해 인체에서와 유사한 반응을 나타낼 수 있는 것으로 검증된 바 있다. 이러한 생체 모사 조직체는 인체 내에 이식하여 손상된 조직 및 장기의 기능을 대체할 수 있는 조직공학적 제재로 적용 가능하며, 또한 이러한 생체 모사 모델들은 개인에 적합한 치료 방법과 약물의 종류를 선택할 때 기준이 되는 좋은 Test Tool로써도 활용이 가능하다.

예를 들어, 사람의 인공 피부 모델 개발을 바탕으로 동물 실험을 하지 않고도 사용 중인 화장품 혹은 새롭게 개발된 약품이 실제로 피부에 좋은 영향을 주는지 여부를 테스트할 수 있을 것이다. 이 외에도 유전자 편집 기술과 생체모사 모델 기술의 접목을 통해 유전자 변이체의 인체 내 복합적 작용에 대해 연구함으로써 기존의 연구를 통해 밝혀내지 못한 질병 혹은 그 발생 기전에 대한 연구를 가능케 할 것으로 기대한다.

이로써 3D 세포프린팅 기술과 접목된 첨단바이오의약품 기술은 환자 맞춤 의료(Personalized Medicine)의 근간이 될 수 있을 것으로 예측되며, 다양한 산업 분야의 혁명을 일으키고 첨단바이오의약품의 패러다임을 전환할 수 있는 중요한 시작점이 될 수 있다. 이러한 필요성에 발맞추어 경쟁력 있는 신개념 첨단바이오의약품의 연구 개발에 더욱 박차를 가해야 할 것이다.

 

 

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공저자 : 장진아 박사 (포항공과대학교 기계공학과),

박주영 박사 (포항공과대학교 기계공학과)

본문의 내용에 대한 문의는 dwcho@postech.ac.kr 로 해주십시오.

 

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