3D 프린터로 사람의 장기도 만든다

  3D 프린터로 사람의 장기도 만든다
   인간배아줄기세포를 이용한 3D 프린팅




3D 프린터는 디자인 프로그램으로 만들어진 입체 설계도를 그대로 재현해 내는 기계를 말한다. 이런 3D 프린터는 하루가 다르게 발전하는 프린팅 기술을 통해 최근에는 국제우주정거장에 필요한 여분의 부품에서부터 시작하여 식탁에 올라오는 쇠고기를 인공적으로 배양하는 작업 등에 이르기까지 다양한 영역에 적용되고 있다.

특히, 생물공학 기술을 적용해 실제와 같은 장기를 만들 수 있다고 알려진, 인간배아줄기세포(hESCs, human embryonic stem cells)를 이용한 3D 프린트 기술이 궁극적으로는 환자에게 적합한 맞춤형 장기를 만들 수 있을 것으로 기대를 모으면서 이 기술은 생명공학 분야의 새로운 돌파구가 될 것으로 기대되고 있다.

3차원 구조의 인간배아줄기세포를 만드는데 성공

학술 전문지인 ‘바이오파브리케이션(Biofabrication)’은 최근호를 통해 스코틀랜드 헤리엇-와트 대학(Heriot-Watt University)의 연구진이 바이오엔지니어링 개념의 세포 프린터(cell printer)를 가지고 회전 타원체(spheroid) 모양의 3차원 구조인 인간배아줄기세포 구조를 만드는 데 성공했다고 보도했다.


▲ 3차원 구조의 인간배아줄기세포를 만드는 데 성공한 것으로 나타났다. ⓒFotolia

바이오 분야로 까지 확대된 3D 기술에 대해 ‘바이오파브리케이션’지는 이번 기술이 이를테면 아주 작은 3D 세포 프린팅 기술이라 할 수 있다고 보도하면서, 이러한 바이오 분야의 3D 기술 발전은 약품 시험 프로세스를 가속화시켜 결국에는 수요 중심의 이식형 기관을 제공하는 데 도움이 될 것이라고 밝혔다

이번 프로젝트의 공동 책임자인 윌 웬미아오 슈(Will Wenmiao Shu) 박사는 “인간배아줄기세포(hESCs)에서 3D 구조체를 탄생시킨다는 것은 우리가 더 정확한 인간 조직 모델을 창조할 수 있다는 것을 의미한다”고 전했다.

슈 박사는 “3D 프린팅 기술은 체외에서 진행되는(in vitro) 약물 개발과 독성 시험에 필수적”이라며 “대부분의 약품 개발이 사람의 질병을 목표로 하기 때문에, 사람의 조직을 사용한다는 것은 무병장수를 향한 인류의 도전이 또 한 단계 전진했음을 의미한다”고 덧붙였다.

시멘트 역할을 하는 세포의 기질

벽돌이 모여 있다고 해서 건물이 되는 것이 아니듯 세포가 뭉쳐있다고 해서 조직(Tissue) 이나 장기(Organ)가 되는 것은 아니다. 이런 점은 인간배아줄기세포 연구에서도 마찬가지인데, 다양한 세포로 분화할 능력을 지닌 줄기세포를 그 자체만으로 조직이나 장기로 볼 수는 없다.

규모가 거대하고 복잡한 빌딩에는 상하수도 배관부터 시작하여 냉난방과 환기, 그리고 재난안전 장비와 편의 장비, 방범장비 등 다양한 자재와 부품들이 들어가게 되는데, 이는 마치 생물체가 다양한 세포들로 유기적인 구성을 이루는 것과 비슷하다.

또한, 벽돌 그 자체만으로는 벽을 구성하지 못하고 벽돌과 벽돌 사이에 시멘트가 필요하듯 세포와 세포 사이에도 다양한 세포외 기질(Extracellular Matrix ECM)이 존재하며 이들의 존재가 세포 만큼이나 조직을 구성하는 데 중요하다.

특히 세포외 기질은 상상 이상으로 복잡하며 다양한 기능을 가지고 있기 때문에 과학자들은 목적을 달성하기 위해서 많은 어려움을 극복해야 했는데, 우선 줄기세포의 섬세함이 문제였다. 지나치게 민감해서 3D 프린트 과정에 파괴될 위험이 있었기 때문이다.

밸브로 제어하는 특수 3D 프린터

3D 프린트 과정에서의 위험을 피하기 위해서 연구자들은 특수한 3D 프린터를 준비했는데, 공기압으로 노즐을 열고 닫으며 입구를 세밀한 밸브로 제어했다. 그리고 이렇게 노즐을 여는 방법과 입구의 공기압이나 밸브를 여는 시간을 조정하여 3D 프린트할 세포의 양과 위치, 크기를 정확하게 측정했다.

인간배아줄기세포는 프린터 내의 2개의 분리된 용기에 올려진 다음, 미리 프로그래밍이 된 플레이트 위에 균일한 패턴으로 놓이는데, 일단 인간배아줄기세포가 프린팅되면 그 방법이 얼마나 효과적인가를 확인하기 위해 많은 테스트가 뒤따랐다.

예를 들어, 연구진은 프린팅된 이후에 인간배아줄기세포가 살아있는 채로 유지되고 있는지와 그리고 다른 형태의 세포와 구별하는 능력을 유지하고 있는지를 확인하기 위해 시험을 진행했다. 또한, 연구진은 밸브에 기반을 둔 방법의 정확성을 평가하기 위해 프린팅 된 인간 배아줄기세포의 밀도와 특성화 정도 그리고 분산 정도를 조사했다.

▲ 인간배아줄기세포의 액적 ⓒRoslin Cellab

이와 관련하여 슈 박사는 “밸브에 기반을 둔 방법을 사용하여 프린팅 된 세포는 유압에 의해 움직이고 마이크로 밸브의 개폐에 의해 제어된다”며 “생성된 세포의 양은 노즐 지름과 입력되는 압력, 그리고 밸브의 개방시간 변화 등을 통해 정밀하게 제어될 수 있다”고 설명했다.

슈 박사는 “우리는 수많은 실험을 통해 밸브에 기반을 둔 방법이 줄기세포의 가능성을 크게 유지할 만큼 정교하고, 균일한 크기의 회전 타원체를 생산할 만큼 정확하다는 것을 파악할 수 있었다”고 덧붙였다.

슈 박사는 이번 연구에 있어 가장 중요한 성과로 프린팅 된 인간배아줄기세포가 다른 세포 형태와 차별화되는 능력인 그들의 다능성(pluripotency)을 유지할 수 있다는 사실을 발견한 점을 들었다. 여기서 다능성이란 배가 발생하는 도중에 그 일부가 다른 형태로도 형성될 수 있는 능력을 의미한다.

한편, 지금까지는 인간배아줄기세포를 프린트 기술에 접목하기에는 너무 약하다고 알려져 있었다. 줄기세포 기술 관련 회사인 로슬린 셀랩(Roslin Cellab)의 과학자들은 인간배아줄기세포가 다른 형태의 세포로 성장할 수 있는 능력을 유지하면서 실험 과정에서 계속 생존할 수 있도록 하는 일정한 크기의 액적을 생성하는 기술을 개발하고 있는 것으로 알려졌다.

로슬린 셀랩의 개발 책임자인 제이슨 킹(Jason King) 이사는 “3D 프린팅 기술은 신뢰성 있고 동물이 불필요한 약품 시험에 적용될 수 있는 장기적으로 엄청난 가치를 지니고 있으며, 더 장기적으로는 면역 억제기능(immune suppression)과 기관의 거부 가능성 문제와 기증의 필요성도 없이 기관의 이식을 가능케 할 것으로 우리가 믿고 바라는 과학적인 발전”이라고 강조했다.

이와 관련하여 슈 박사도 “장기간에 걸쳐, 우리는 환자 자신의 세포로 의학적 임플란트가 될 수 있는 3D 기관을 창조하기 위해 이 기술들이 더 발전하기를 바란다”고 기대했다.

김준래 객원기자 | joonrae@naver.com
저작권자 2013.03.04 ⓒ ScienceTimes

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