[인사이트코리아=노철중 기자] 사람의 기대 수명이 늘어남에 따라 장기 이식이 필요한 환자 수도 계속 늘어나는 추세다. 보건복지부가 발표한 ‘2016년도 장기 등 이식 통계 연보’에 따르면 우리나라에서 장기 이식을 받기 위해 기다리는 환자는 3만286명에 이른다. 그러나 실제 이식 건수는 4684명으로 대기자의 17%에도 못 미치는 상황이다.

이런 가운데 인공장기 제작용 3D 바이오 프린팅 기술이 주목 받고 있다. 인간 생명연장의 열쇠가 될 미래 기술로 여겨지며 하루가 다르게 성장하고 있기 때문이다. 바이오 인공장기를 필요한 만큼 생산할 수 있다면 동종 이식을 위한 장기의 심각한 부족 상태를 해소할 수 있다. 인공장기는 환자 자신의 세포로 만들기 때문에 면역 거부 반응을 걱정할 필요가 없다. 3D 바이오 프린터로 사람의 귀, 간, 뼈, 근육 등을 생산하는 데 성공하긴 했지만 아직 사람에게 이식할 수 있는 단계는 아닌 것으로 알려졌다.

이준희 한국기계연구원 자연모사응용연구실장(박사)은 인공장기를 실제 환자들에게 적용할 수 있는 시기를 앞당기기 위해 노력하고 있다. 이준희 박사 연구팀은 세포가 손상된 피부에 직접 프린팅해 피부를 재생하도록 하는 장비를 개발 중이다. 또 장기 형성을 위한 세포 프린팅 기술, 혈관·기관·장 등과 같은 도관형 인공 조직을 만드는데 특화된 3D 바이오 프린팅 장비도 개발하고 있다.

현재 자연모사응용연구실에서 어떤 연구를 진행하고 있나요?

“저희 자연모사응용연구실에서 연구하고 있는 3D 바이오 프린팅 기술은 인공장기를 만들기 위해 세포가 자랄수 있는 집(스캐폴드)을 만드는 기술로부터 시작됩니다. 생분해·생체적합 고분자(인체의 몸 속에서 서서히 녹아 없어지지만 몸에 해롭지 않은 플라스틱)를 이용해 세포들이 잘 자랄 수 있는 구멍이 뚫려 있는 집을 만들고, 그 사이에 세포를 심으면 그곳에서 세포들이 자라나게 됩니다.

일정 시간이 지나면 저희가 만들었던 집 자체가 세포로 가득 차게 됩니다. 이렇게 잘 만들어진 집을 사람에게 임플란트해 사람의 인공적인 장기를 대체하는 기술입니다. 이 같은 기술을 기반으로 현재는 세포와 바이오잉크(세포가 잘 자랄 수 있으면서 형태를 유지할 수 있는 젤리 같은 재료)를 직접 3차원으로 프린팅해 인공조직 및 장기를 제작하는 기술로 발전시키고 있습니다.”

세포가 자라는 스캐폴드란 어떤 것인가요?

“인공조직 및 장기를 제작하기 위해 조직 또는 장기의 형태를 유지하면서 세포가 잘 자랄 수 있는 공간을 만들어주는 것이 스캐폴드입니다. 조직 또는 장기의 형상을 유지하면서 세포가 성장·분화하고 조직화하는데 필요합니다. 건물로 생각해 본다면 스캐폴드는 집의 기둥 역할을 하는 것이고, 세포들이 벽돌처럼 그 기둥 사이를 메워가며 건물이 완성되는 것과 비슷합니다.”

스캐폴드 제작용 외에 다른 프린트 장비는 어떤 것들이 있나요?

“저희가 개발하고 있는 3D 바이오 프린팅 장비는 스캐폴드를 제작하는 것뿐만 아니라 세포를 직접 프린팅해 인공 조직이나 장기를 만드는 것이 가능합니다. 세포를 바이오잉크와 함께 3차원적으로 프린팅해 인공 조직 및 장기를 만드는 장비, 세포가 손상된 환부(상처)에 직접 프린팅해 피부 등을 재생하도록 하는 장비 등 다양한 3D 바이오 프린팅 장비 및 공정 기술을 개발하고 있습니다. 특히 혈관·기관·장 등과 같은 도관형 인공 조직을 만드는데 특화된 3D 바이오 프린팅 장비도 개발하고 있습니다.”

미국 오가노보, 중국 레보텍, 이스라엘 텔아비브대학 연구팀 등 세계 각국에서 인공장기 3D 프리팅 연구를 진행 중인데, 현재 우리 현황은 선진국에 비에 어느 정도 수준인가요?

“우리나라에서는 한국기계연구원 뿐만 아니라 포항공대, 성균관대 등 많은 기관에서 3D 바이오 프린팅 기술을 이용한 인공장기 제작 연구를 수행하고 있습니다. 현재 우리나라도 선진국에 비해 뒤처지지 않는 연구 능력과 결과를 보여주고 있습니다. 일부 장기(귀·근육·심근 패치 등)의 경우에는 세계 최고 수준입니다.”

미국 Wake Forest 대학이 인체 세포로 사람 귀를 프린팅 했습니다. 귀 프린트가 이뤄지는 과정을 상세하게 묘사 부탁드립니다.

“먼저 사람의 귀 형상을 병원에서 사용하는 CT 등 영상 장비로 촬영해 3차원 형상 정보를 얻습니다. 그 3차원 데이터를 3D 프린팅에 필요한 STL 파일로 변환합니다. STL 파일로 변환된 3차원 정보를 이용해 어떻게 프린팅할지 프린팅 경로를 만들어 주고(이때 전용 SW 필요), 그 생성된 경로에 따라 생분해 고분자, 바이오잉크, 사람으로부터 추출한 세포 등을 이용해 귀를 프린팅합니다. 제작된 인공 귀를 동물에 이식해 최종 테스트를 합니다.”

자연모사응용연구실에서 연구·개발하는 3D 바이오 프린터의 미래 비전은 무엇인가요?

“자연모사응용연구실에서는 저희가 개발한 3D 바이오 프린터가 각 병원에 보급되어 인공조직 및 장기(인공장기) 제작실이 만들어지고, 그곳에서 많은 사람들이 생명을 연장하고, 건강한 삶을 살 수 있게 도울 수 있길 꿈꾸고 있습니다. 아직은 3D 바이오 프린팅 기술을 이용해 제작한 인공장기가 실제 환자들에게 적용되고 있지 못하지만 향후 10~20년 내에는 충분히 가능할 것이라고 생각합니다.

저희 연구실에서는 이와 같은 기술이 가능하도록 좀 더 다양한 형상의 인공장기를 정밀하게 만들 수 있는 장비, 3차원 세포 집합체(Organoid) 등을 이용해 인공조직을 만드는 장비 등의 연구를 수행하고자 합니다. 그리고 현재 전자소자를 3D 프린팅 기술로 제작하는 기술에 대한 연구도 수행하고 있습니다. 향후에는 전자기술과 바이오 기술이 융합된 인공 조직(혈당 체크 소자가 삽입된 인공 피부 등)도 개발할 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.”

일리노이드 대학과 MIT에서 3D 프린팅된 스캐폴드와 근육 세포를 이용해 바이오봇(bio-bot)을 제작했다는데요. 어떻게 가능하게 된 것인가요?

“3D 프린터를 이용해 콘텍트 렌즈를 만드는 소재로 스캐폴드를 만들었습니다. 그리고 스캐폴드 사이를 근육세포를 이용해 연결했습니다. 이 근육세포는 빛에 반응하는데 빛의 세기 또는 반짝이는 주기 등을 변화시키면 근육세포가 수축·이완을 하게 됩니다. 따라서 자벌레가 이동하듯이 근육세포의 수축과 이완 운동을 통해 이동하게 됩니다. 저희 연구실에서도 ICT 기술(전자소자 프린팅) 기술과 바이오 기술(바이오 프린팅)이 결합된 새로운 개념의 연구를 수행하고자 합니다.”

3D 프린팅 기술로 제작 가능한 인공장기에는 어떤 것들이 있나요?

“인공장기는 크게 3가지 종류가 있습니다. 이종장기, 전자기기 인공장기, 세포 기반 인공장기로 나눠지는데 3D 바이오 프린팅 기술을 이용해 제작한 인공장기는 세포 기반 인공장기에 해당됩니다. 3D 바이오 프린팅 기술을 이용해 제작한 인공장기는 현재 인공 뼈, 피부, 연골과 같은 일부 조직에 대해서는 활용되고 있습니다. 향후 10~15년 후에는 동물 유래 세포나 조직, 환자 자신의 줄기세포를 이용한 이식용 세포나 조직이 일부 사용되는 단계까지 이를 것으로 보입니다. 이식되는 부위의 특성에 따라 발전 속도는 다를 것으로 보이는데, 전문가들은 각막·췌도(이자), 신장·심장, 간·폐 순으로 개발될 것이라 전망하고 있습니다.”

인공장기 3D 프린팅 기술 연구의 변천사에 대해서도 간단히 설명해 주시죠.

“초기(1990년대)에는 인공장기를 만들기 위한 스캐폴드(생분해·생체적합 고분자) 제작에 3D 프린팅 기술이 활용됐습니다. 그 뒤로는 직접 세포를 프린팅해 인공 조직 및 장기를 만드는 기술(2010년 이후)로 발전하고 있습니다. 그 과정에서 세포와 잘 맞는 바이오잉크 개발도 2010년 이후부터 활발히 진행되고 있습니다.”

국내 바이오 프린팅 연구에 걸림돌은 없는지요?

“인공 조직 및 장기를 만드는 연구 분야이기 때문에 식약처 인허가 문제가 가장 어렵습니다. 실제 조직이나 장기를 만들어 적용하기까지 많은 시간이 필요하기 때문에 장기적인 연구 지원이 필요합니다. 저희와 같이 장비 및 공정 연구뿐만 아니라 바이오(세포), 화학, 재료, 의료 등 다학제간의 협력 연구가 매우 중요한 연구 분야입니다.”

국내 제약·바이오 기업들과도 활발한 연구 교류가 이뤄지고 있나요?

“기업보다는 의료계(의사) 분들과의 교류가 많은 편입니다. 일부 기업들과는 교류를 하고 있지만 아직 제약·바이오 기업들과는 교류가 많지 않은 상황입니다. 향후에는 좀 더 많은 교류를 통해 실제 현장에 필요한 기술 개발에 도움이 되도록 노력하겠습니다.”