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바이오프린팅 기술, 대체장기로 가는 길에 성과를 거두다

생명 공학자들은 3d 프린팅 기술을 이용하여 대체 기관을 만드는 장애를 극복하려고 한다. 정교하게 얽힌 혈관의 조직을 바이오프린팅(세포층을 인쇄하여 조직을 만드는 과정)을 통해 피, 공기, 림프등 유체들을 통과시키는 체내의 통로를 완벽히 모방했다. 연구자들은 이는 대체 장기 연구의 시작일 뿐이라며 아직 할 일이 많이 남았다고 하지만 현재 연구한 바만으로도 큰 변화를 끼칠 수 있을 것이라 기대된다. 2019년 5월 2일 사이언스데일리(ScienceDaily)에서 전했다.

 

​생명공학자들은 생체인쇄 조직을 위한 획기적인 기술로 3D 프린팅 대체 장기로 가는 길에 큰 장애물을 제거했다.

이 새로운 혁신은 과학자들이 혈액, 공기, 림프 및 기타 중요한 액체가 지나가는 신체의 자연 통로를 모방하는 정교하게 얽힌 혈관망을 만들 수 있게 한다.

연구는 이번 주 사이언스지의 표지에 실렸다. 그것은 시각적으로 놀라운 원리의 증명을 포함하고 있는데, 하이드로겔 모델은 기도가 주변 혈관에 산소를 공급하는 폐를 자극하는 공기 주머니를 말한다. 또한 간세포를 포함한 생체인쇄물을 쥐에게 이식하는 실험도 보고되고 있다.

이 작품은 라이스 대학의 생명공학자인 조던 밀러와 워싱턴 대학교(UW)의 켈리 스티븐스가 주도했으며, 매사추세츠 서머빌에 있는 디자인 회사인 라이스, UW, 듀크 대학교, 로완 대학교, 신경계통의 협력자 15명이 참여했다.

라이스 브라운 공대의 생명공학 부교수 밀러는 "기능성 조직 교체를 위한 가장 큰 장애물 중 하나는 밀도가 높은 조직에 영양소를 공급할 수 있는 복잡한 혈관조영술을 인쇄할 수 없다는 것"이라고 말했다. "어쨌든, 우리의 장기는 실제로 폐의 기도와 혈관이나 간 속의 담관이나 혈관과 같은 독립적인 혈관망을 가지고 있다. 이러한 상호 침투 네트워크는 물리적으로나 생화학적으로 얽혀 있으며, 구조 자체는 조직 기능과 밀접하게 관련되어 있다. 우리 것은 직접적이고 포괄적인 방법으로 다혈관화의 도전에 대처하는 최초의 바이오프린팅 기술이다.“

UW공학부 생명공학부 교수이자, UW 의과대학 병리학과 조교수이며, UW의학연구소 연구위원인 스티븐스는 형태와 기능이 서로 밀접하게 관련되어 있는 경우가 많기 때문에 다혈관화가 중요하다고 말했다.

스티븐스는 "조직 공학은 한 세대 동안 이 문제로 어려움을 겪어왔다"고 말했다. "이 작업으로 우리는 이제 '만약 우리가 우리 몸의 건강한 조직처럼 보이고 심지어는 살아 숨쉬는 조직을 인쇄할 수 있다면, 그것들은 실제 조직들처럼 기능적으로 행동할 것인가?'라고 더 잘 물을 수 있다. 이것은 중요한 질문인데, 왜냐하면 생체인쇄 조직이 얼마나 잘 기능하느냐가 치료로서 얼마나 성공할 것인가에 영향을 미칠 것이기 때문이다.“

건강하고 기능적인 장기를 생체인쇄하는 목표는 장기이식의 필요성에 의해 추진된다. 미국에서만 10만 명 이상의 사람들이 이식 대기자 명단에 올라 있고, 결국 기증된 장기를 받는 사람들은 여전히 장기 거부 반응을 막기 위해 평생의 면역 억제 약물에 직면해 있다. 생체인쇄는 의사들이 환자의 세포에서 대체 장기를 인쇄할 수 있게 함으로써 이론적으로 두 가지 문제를 해결할 수 있기 때문에 지난 10년 동안 강한 관심을 끌었다. 전 세계적으로 수백만의 환자들을 치료하기 위해 언젠가는 기능 장기를 미리 공급할 수 있을 것이다.

밀러는 "우리는 향후 20년 안에 바이오프린트가 의학의 주요 구성요소가 될 것으로 예상한다"고 말했다.

스티븐스 박사는 "간은 뇌 다음으로 뇌에 가까운 500개의 기능을 하기 때문에 특히 흥미롭다"고 말했다. "간의 복잡성은 현재 모든 기능을 고장 났을 때 대체할 수 있는 기계나 치료법이 없다는 것을 의미한다. 생체인식된 인간의 장기는 언젠가 그 치료법을 제공할 것이다."

이 문제를 해결하기 위해, 연구팀은 "조직 공학을 위한 석기체학 기구"라고 불리는 새로운 오픈소스 바이오프린팅 기술을 개발했다. 이 시스템은 적층 제조를 사용하여 부드러운 하이드로겔을 한 번에 한 층씩 만든다.

층은 푸른 빛에 노출되면 고체가 되는 액체 프리 하이드로겔 용액에서 인쇄된다. 디지털 조명 처리 프로젝터는 아래에서 빛을 반사하며, 10-50미크론 크기의 픽셀을 포함하여 고해상도 구조로 구조물의 순차 2D 슬라이스를 표시한다. 각 층을 차례로 굳힌 상태에서, 오버헤드 암은 프로젝터의 다음 이미지에 액체를 노출시킬 수 있을 정도로만 성장하는 3D 겔을 올린다. 이 연구의 공동저자인 라이스 대학원생이자 공동저자인 밀러와 바그라 그리건 교수의 핵심 통찰력은 푸른 빛을 흡수하는 식품 염료 첨가이었다. 이 광 흡수기는 고형화를 매우 미세한 층으로 제한한다. 이런 식으로, 시스템은 몇 분 안에 복잡한 내부 구조를 가진 부드럽고, 물 기반의 생체 적합성 젤을 생산할 수 있다.

폐를 자극하는 구조를 실험한 결과, 사람의 호흡의 압력과 빈도를 시뮬레이션한 리듬적 섭취와 공기 유출인 혈액 흐름과 맥동성 "호흡" 중에 터지는 것을 방지할 수 있을 정도로 조직이 튼튼하다는 것이 밝혀졌다. 검사 결과 적혈구는 "호흡" 공기 주머니를 둘러싼 혈관의 네트워크를 통해 흐르면서 산소를 흡수할 수 있는 것으로 밝혀졌다. 이러한 산소의 움직임은 폐의 조울증 공기 주머니에서 일어나는 가스 교환과 유사하다.

밀러는 사이언스 표지에 실린 이 연구의 가장 복잡한 폐 자극 구조를 설계하기 위해 연구 공동저자인 제시 로젠크란츠와 신경계 공동창업자인 제시 루이스 로젠버그와 협력했다.

"우리가 신경계를 만들었을 때 그것은 자연으로부터 알고리즘을 새로운 디자인 방법으로 적응시키는 것을 목표로 했다"고 로젠크란츠는 말했다. "우리는 우리가 그런 것을 다시 가져와 살아있는 조직을 설계할 수 있는 기회를 가질 것이라고는 상상도 못했다."

간 질환에 대한 치료용 임플란트 테스트에서 연구팀은 조직을 3D 프린팅하여 1차 간세포를 장착하고 생쥐에 이식했다. 조직은 혈관과 간세포를 위한 별도의 구획을 가지고 있었으며 만성 간 손상을 입은 쥐에게 이식되었다. 검사 결과, 간세포는 이식 수술에서 살아남은 것으로 나타났다.

밀러는 새로운 바이오프린팅 시스템은 유체가 한 방향으로만 흐르도록 하는 두 개의 중점 밸브와 같은 혈관 내 기능도 생산할 수 있다고 말했다. 사람에게 있어서 혈관내 판막은 심장과 다리 정맥, 그리고 흐름을 움직이는 펌프가 없는 림프계와 같은 보완적 네트워크에서 발견된다.

밀러는 "다중 혈관 구조와 혈관 내 구조가 추가되면서 엔지니어링 생활 조직을 위한 광범위한 디자인 자유를 도입하고 있다"고 말했다. "우리는 이제 신체에서 발견되는 복잡한 구조들을 많이 만들 수 있는 자유를 얻었다."

밀러와 그리고리안은 휴스턴에 본사를 둔 스타트업 기업인 볼루메트릭을 통해 연구의 핵심 측면을 상용화하고 있다. 그리고리안이 전속력으로 합류한 이 회사는 바이오프린터와 바이오링크들을 설계하고 제조하고 있다.

오픈소스 3D 인쇄의 오랜 옹호자인 밀러는 발표된 과학 연구의 모든 소스 데이터를 자유롭게 이용할 수 있다고 말했다. 또한, 연구에 사용된 각각의 하이드로겔을 인쇄하기 위한 설계 파일과 마찬가지로 입체 인쇄 장비를 구축하는 데 필요한 모든 3D 인쇄 가능 파일을 이용할 수 있다.

밀러는 "하이드로겔 설계 파일을 만드는 것은 다른 사람들이 현재 존재하지 않는 미래의 3D 프린팅 기술을 사용하더라도 이곳에서 우리의 노력을 탐구할 수 있게 할 것"이라고 말했다.

밀러는 그의 연구소가 더 복잡한 구조들을 탐험하기 위해 이미 새로운 디자인과 생체인쇄 기술을 사용하고 있다고 말했다.

그는 "인체에서 발견되는 건축물의 탐사의 시작에 불과하다"고 말했다. "우리는 아직 배울 것이 너무 많다."

추가적인 연구 공동저자로는 라이스의 사만다 폴슨, 다니엘 사저, 알렉산더 자이타, 폴 그린필드, 니콜라스 칼라파트, 앤더슨 타, UW의 다니엘 코벳, 첼시 포틴과 프레드리크 요한슨, 듀크의 존 건리와 아만다 랜들, 그리고 로완의 피터 갈리가 있다.

 

황지혜 인턴기자  sustainability@sjournal.kr

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