이미지 출처: Andrew Brodhead/스탠포드 대학교

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불행히도 대체 인간의 뼈, 장기 및 조직으로 가득 찬 창고는 존재하지 않다. 하지만 3D바이오프린팅은 훨씬 더 나은 결과를 가져올 수 있다.

기존 3D프린터와 마찬가지로 이 기계는 컴퓨터 파일을 사용하여 잠재적으로 복잡한 구조를 가진 3D 물체를 생성하지만 플라스틱이나 금속을 압출하는 대신 살아있는 세포가 포함된 바이오 잉크를 사용하여 작동한다.

디자인을 수정하는 것은 파일을 변경하는 것만큼 간단하기 때문에 우리는 결국 우리 몸이 새로운 부분을 거부하는 것을 방지하기 위해 잉크에 사용되는 우리 자신의 세포를 사용하여 맞춤형 대체 장기, 조직 및 뼈를 만드는 데 사용되는 3D 바이오 프린터를 볼 수 있었다.

이것도 먼 미래가 아니다. 3D 바이오프린팅은 이미 소형 장기, 심장 결함 패치 등을 만들고 있다. 다음은 기술이 우리의 머리에서 심장까지 의료 혁신을 위해 어떻게 사용되는지에 대한 몇 가지 최신 사례이다.

 

뇌 손상 복구

뇌졸중, 낙상, 질병 등으로 인한 뇌 손상은 생명을 위협할 수 있으며, 살아남는다 하더라도 부상으로 인해 이전처럼 생각하고 움직이고 의사 소통하는 능력이 상실될 수 있다.

실험에 따르면 뇌 손상 부위에 줄기세포를 이식하면 일부 환자의 운동 기능이 향상될 수 있지만, 줄기세포로 손상을 완전히 역전시켜 뇌를 원래 상태로 되돌릴 수 있는 사람은 아무도 없다.

 

옥스퍼드 대학 연구자들은 줄기 세포가 뇌의 자연적 구조를 더 잘 모방하게 되면 그 목표에 더 가까워질 것이며 3D 바이오프린팅이 이를 가능하게 할 것이라고 믿는다.

10월 4일 네이처커뮤니케이션즈에 발표된 새로운 연구에서는 그들은 인간 대뇌 피질의 복잡한 구조를 모방한 것을 만들었다. 이 구조는 6개의 층(2개의 "깊은" 층과 4개의 "상부" 층)으로 구성되어 있으며 각 층에는 고유한 유형의 뉴런이 있다.

그들은 먼저 인간 유도 만능 줄기 세포(HiPSC)(다시 줄기 세포로 재프로그래밍된 성체 세포)를 채취하여 두 가지 특별한 유형의 신경 줄기 세포로 발전하도록 유도했다. 하나는 상위층 뉴런의 전구체이고 다른 하나는 심층층 뉴런의 전구체였다.

다음으로 그들은 뉴런에서 두 개의 바이오잉크를 만들어 2층 구조로 인쇄했다. 이 인쇄된 조직을 쥐의 뇌 조각에 이식했을 때 구조적으로나 기능적으로 쥐 조직에 성공적으로 통합되었다.

 

연구자들은 줄기세포를 대뇌 피질의 6가지 서로 다른 유형의 뉴런 모두의 전구체로 발전시키는 정확한 방법을 아직 찾지 못했지만, 옥스퍼드 팀은 3D 바이오프린팅 기술이 일단 개발되면 6층의 피질 조직을 생성할 수 있을 것이라고 믿고 있다. 장애물이 극복되었다.

"우리의 3D프린팅 프로젝트는 대뇌 피질의 기본 기능 단위를 형성하기 위해 인간 iPSC의 운명과 배열을 제어하는 데 상당한 진전이 있음을 보여준다."라고 수석 저자인 졸탄 몰나르(Zoltán Molnár)는 말했다.

3D 바이오프린팅을 이용해 2층 뇌조직을 만드는 과정. 출처: Jin Yongcheng / 옥스퍼드대학교

 

주문형 장기

미국에서는 매년 6,000명 이상의 사람들이 장기 이식이 필요하고 기증 장기를 제때에 구할 수 없어 사망한다. 그러나 스탠포드 연구원들은 3D 바이오프린팅이 수요와 공급 사이의 격차를 줄일 수 있을 것으로 기대하고 있다.

9월 28일, 그들은 국립보건원(National Institutes of Health) 산하 보건고등연구계획국(ARPA-H)으로부터 향후 5년 이내에 인간의 심장을 바이오프린팅하고 돼지에 이식하는 2,630만 달러 규모의 계약을 체결했다.

이 프로젝트의 수석 조사관인 마크 스카일러-스콧(Mark Skylar-Scott)은 "정말로 획기적인 노력이지만 완전하고 복잡한 인간 장기를 바이오프린팅하기 위한 원시 재료가 이제 이 큰 추진을 위해 마련되었다"고 말했다.

뇌와 마찬가지로 심장에도 작동하려면 정확한 설계로 배열되어야 하는 매우 다양한 세포 유형이 포함되어 있으므로 스탠포드 팀의 계획은 줄기 세포를 사용하여 "생물 반응기"라고 불리는 용기에서 이러한 다양한 유형의 세포를 생산하는 것이다.” 이것은 살아있는 세포가 번성할 수 있는 이상적인 환경을 제공한다.

그런 다음 팀은 이러한 세포를 바이오잉크로 사용하여 인간 심장의 복제품을 3D 프린팅할 예정이다. 마크 스카일러-스콧은 바이오리액터가 2주마다 심장 하나를 프린팅할 수 있을 만큼 충분한 세포를 생산할 것으로 기대한다.

"우리는 이 엄청난 수의 세포를 사용하여 심장의 모든 설계 규칙을 연습하고, 연습하고, 학습하고, 최종적으로 돼지에 이식하기 위해 심장 전체의 생존 가능성과 기능을 최적화할 것이다."라고 그는 말했다.

궁극적인 목표는 개인의 줄기세포를 대체 심장을 인쇄하는 데 사용되는 바이오 잉크의 기초로 사용하는 것이다. 이는 장기 거부반응을 예방하기 위한 면역억제의 필요성을 잠재적으로 제거하여 환자의 감염 위험을 높인다.

“당신 자신의 세포로 만들어진 당신 자신의 심장; 그것이 꿈이다.”라고 마크 스카일러-스콧은 말했다.

스탠포드 과학자 Jessica Herrmann이 팀의 바이오잉크를 연구하고 있다. 출처: Andrew Brodhead

바이오프린팅된 피부

화상, 질병 또는 부상으로 인해 피부가 심각하게 손상된 경우, 의사는 신체의 다른 부분에서 건강한 피부를 제거하여 부상당한 부위에 배치하는 피부 이식을 시행할 수 있다.

피부는 3개의 층으로 구성되어 있으며, 이식 중에 의사는 부상의 심각도에 따라 위쪽의 1.5~2개 층만 제거한다. 가장 아래쪽 세 번째 층인 피하층은 결코 이식되지 않는다.

이러한 시술을 위해서는 환자가 건강했던 신체 일부를 손상시켜야 할 뿐만 아니라, 이식된 피부에는 대개 상처가 있는 모습이 나타난다.

10월 4일, 웨이크 포레스트 대학교(Wake Forest University)의 연구원들은 3D 바이오프린팅을 사용하여 세 층 모두를 갖춘 전체 두께의 피부를 만드는 방법을 자세히 설명하는 연구를 발표했다. 이는 이전에 누구도 시도하지 않았던 일이다.

연구에 사용된 바이오잉크에는 하이드로겔과 인간 피부에서 발견되는 6가지 기본 세포 유형이 모두 포함되어 있으며 연구원들은 이를 생물반응기에서 성장시켰다. 이 잉크를 사용하여 그들은 페트리 접시에 실제 피부의 3층 구조를 인쇄했다.

생쥐와 돼지의 상처 위에 바이오프린팅된 피부를 이식했을 때, 치료되지 않은 상처보다 부상이 더 빨리 치유되고 흉터 흔적도 덜 나타났다.

바이오프린팅된 피부가 전통적인 피부 이식편과 어떻게 비교되는지 확인하기 위해서는 향후 연구가 필요할 것이다. 그러나 그것이 그만큼 좋다 하더라도 사람들이 손상을 복구하는 데 필요한 피부를 얻기 위해 신체의 건강한 부분을 손상시키지 않아도 될 수 있다.

“포괄적인 피부 치유는 제한된 선택권으로 전 세계적으로 수백만 명의 개인에게 영향을 미치는 중요한 임상적 과제이다.”고 주요 저자인 앤서니 아탈라(Anthony Atala)가 말했다. "이러한 결과는 인간의 생명 공학적 피부 전체 두께의 생성이 가능하며, 더 빠른 치유와 더 자연스럽게 나타나는 결과를 촉진한다는 것을 보여준다."

팀의 생체 인쇄 피부를 관리하는 웨이크 포레스트 연구원. 출처: 웨이크 포레스트 재생의학 연구소

전망

이는 신체의 가장 큰 기관(피부)부터 가장 중요한 기관(뇌 및 심장)에 이르기까지 3D 바이오프린팅의 세 가지 주요 발전일 뿐이다. 이 모든 일이 불과 몇 주 만에 일어났다는 사실을 보면 분야가 발전하고 있다.

이러한 프로젝트 외에도 다른 연구자들은 3D 바이오프린팅을 사용하여 새로운 뼈, 연골 및 혈관을 생성하고 있다. 또 다른 사람들은 이식 수술의 위험을 최소화하기 위해 사람의 신체 내부에서 직접 인쇄할 수 있는 3D 바이오프린터를 개발하고 있다.

이 연구의 대부분은 아직 전임상 개발 단계에 있지만 일부 바이오프린팅 기반 치료법은 이미 사람들에게 시험되고 있으며, 이러한 진전이 계속된다면 머지않아 의사가 우리에게 필요한 새로운 신체 부위를 3D 프린팅할 수 있을 것이다.