바이오 인공장기의 미래 2017년 기술영향평가 결과보고

한편, 이탈리아 카푸아(Capua)라는 도시에서는 기원전 3세기경의 것으로 보이는 청동과 나무로 만들어진 의족이 발견되기도 했다. 이후 16세기까지 다양한 형태의 의족에 대한 기록이 남아있다. 실제로 중세시대 유럽에는 <피터 팬>의 후크선장처럼 손목에는 갈고리를 달고 발목에는 책상다리 형태의 의족을 붙인 해적이 아주 많았다고 한다. 그러나 이러한 보철은 관절이 없기 때문에 자유롭게 구부릴 수 없어 활동에 큰 도움을 주지는 못했다. 그러다가 1500년대 중반, 앙브루아즈 파레(Ambroise Par'e)라는 프랑스의 유명 외과의가 관절이 있는 의족을 발명했다. 그는 끈을 연결하여 팔꿈치 관절을 움직일 수 있는 의수도 고안했다. 32년간 전쟁터를 돌며 종군 의사 노릇을 했던 그는 전쟁에서 팔다리를 잃은 병사들을 돕고 싶었던 것이다. 앙브루아즈 파레의 발명 이후 20세기까지 의족과 의수 기술은 그리 큰 진전이 없었다. 의족은 조금 더 가볍고 튼튼한 재료로 보기 좋게 만들어졌고, 의수는 기계적인 방식으로 손가락을 움직일 수 있는 정도로 발전했을 뿐이다. 2014년에는 스웨덴의 샬머스기술대학교에서 최초의 골 접합 인공의수를 개발했다. 환자의 피부에 센서를 부착하는 기존 방식 대신 티타늄 볼트를 이용해 인공의수를 환자의 남은 팔 끝(팔꿈치)에 고정하여 뼈, 신경, 근육과 직접 연결하는 방식이다. 남아 있는 팔 말단과 의수는 전선으로 연결되며, 전선은 마치 인체 신경처럼 감각에 대한 정보와 운동에 대한 정보를 상호 전달할 수 있도록 설계했다. 루크암(LUKEArm)은 2016년 출시된 인공의수다. 루크암은 1억 2천만 원이 넘을 정도로 매우 비싸다. 사람마다 절단 부위와 팔의 굵기가 달라 맞춤형으로 만들어야 하기 때문이다. 영국 브리스톨에 있는 오픈 바이오닉스(Open Bionics) 사는 3D 프린터를 이용해, 맞춤형이지만 가격은 그리 비싸지 않은 인공의수를 개발하고 있다. 탄소섬유로 제작한 오픈 바이오닉스의 인공의수는 센서가 근육의 움직임을 감지해 의수를 제어하기 때문에 기존 보철보다 훨씬 민첩한 동작이 가능하다. 오픈 바이오닉스는 가볍고도 저렴한 의수를 보급하기 위해 의수의 3D 프린터설계 도면을 일반인에게 공개하고 있다. 독일의 오토복(Ottobock) 사는 미군과 제휴하여 샤워나 등산, 달리기까지도 가능한 인공의족을 개발하는 중이다. 미국 케이스웨스턴리저브 대학교 연구팀은 감각신호를 느낄 수 있는 인공의수를 개발 중이며, 10년 안에 상용화할 것으로 기대하고 있다. 촉각 센서로 감각 신호를 수집하기 때문에 전기신호 형태로 뇌에 보내지 않고 손으로 만지는 것만으로 부직포인지, 샌드페이퍼인지 구분할 수 있는 인공의수다. 연구팀은 2017년 3월 사지가 마비된 사람의 머리에 전극장치를 이식해 스스로 근육을 움직여 식사를 할 수 있게 한 연구결과를 발표하기도 했다. 2017년 12월에는 미국 시카고대학교 의대 연구팀이 사고로 팔을 잃은 지 4~10년 된 붉은털원숭이 3마리에게 뇌 신경과 연결된 로봇 팔을 부착하여 의지만으로 공을 잡도록 하는 훈련을 시켰다고 발표했다. 미국 MIT는 2017년 한쪽 근육이 수축할 때 반대쪽 근육이 이완하는 움직임을 모방하여 인공의족의 정밀한 움직임을 향상시킬 수 있음을 쥐를 이용한 실험을 통해 증명했다. 전기 자극 방식으로 볼 수 있게 해주는 인공눈에 대한 연구도 활발하다. 미국 세컨드 사이트(Second Sight) 사의 아르구스(Argus)Ⅱ는 2013년 FDA 승인을 받았으며 임상시험을 실시했다. 아르구스Ⅱ는 안구와 안구 내부 망막 위에 시각 정보 수신기와 백금칩을 이식하고, 안경에 부착된 외부 카메라와 특수 휴대용 컴퓨터 기기를 연동시켜 시각 중추에 신호를 전달하는 방식이다. 완전히 시력을 상실한 환자에게 60개의 전극을 이용한 인공눈을 이식하자 시력이 일부 회복된 것을 확인했다. 국내에서는 2017년 6월 서울아산병원에서 망막색소변성 환자에게 국내 최초로 아르구스Ⅱ를 이식하여 성공한 바 있다. 아르구스Ⅱ를 이식받은 환자는 수술 한 달 만에 시력측정표의 가장 큰 글자를 읽을 정도로 시력이 회복됐다. 2017년에는 아르구스를 변형하여 시각 피질 표면에 전극을 넣는 오리온(Orion)이 FDA에서 소규모 조건부 시험 승인을 얻은 상태다. 호주의 멜버른대학에서 개발 중인 바이오닉 아이(Bionic Eye)는 전극으로 눈 뒤 망막을 자극해 메시지를 뇌로 보내 빛을 인식시키는 방법을 사용한다. 초기에는 265개의 전극으로 시작했지만, 현재는 1,024개 전극으로 늘려 얼굴과 글씨 인식까지 할 수 있는 수준이다. 이 밖에도 독일의 레티나 임플란트(Retina Implant), 이스라엘의 나노 레티나(Nano-Retina), 프랑스 픽시움 비전(Pixium Vision) 등 주로 미국과 유럽을 중심으로 인공 눈 개발이 이뤄지고 있는 추세다. 우리나라 서울대학병원에서는 수술 부담을 줄인 소형 인공눈을 개발하여 토끼 등의 동물실험에 성공했다. 이 인공눈은 눈동자에 직접 자극기와 무선 수신기 같은 전자 부품을 이식해야 하는 기존 인공눈과는 달리 작은 장치를 안구 바깥쪽 옆에 붙이는 방식이어서 수술에 대한 부담이 적다는 것이 특징이다. 바이오닉스도 의료에 지출되는 사회적 비용을 줄이는 데 기여할 수 있을 것으로 보인다. 바이오닉스란 생물학(biology)과 전자공학(electronics)의 합성어로, 생체의 기능과 원리를 공학적으로 연구해서 얻은 지식을 기술적 문제에 응용하는 학문을 말한다. 의학적으로는 파손된 조직이나 신체의 일부를 기능성 인공물로 대체하는 기술을 의미하며 우리말로 생체공학이라고도 한다. 현재 바이오닉스는 주로 사지 절단 장애인들을 위한 전자 인공의수·의족, 재활 보조 로봇 등을 만드는 데 활용되고 있다. 최근 재활치료에서는 신경신호 측정 및 자극 기술을 이용하는 바이오닉스의 활용 가능성이 점차 부각되고 있는 추세다. 따라서 바이오닉스 기술은 불의의 사고로 신체 일부를 잃은 장애인의 재활을 도와 사회 참여 및 생산 활동 복귀를 앞당길 수 있을 것으로 보인다. 오가노이드 분야에서 가장 앞서나가고 있는 것은 인공간이다. 2013년 미국의 생명공학회사 오가노보(Organovo)는 수만 개의 세포로 이뤄진 바이오 잉크와 자체 개발한 3D 프린터를 사용해 1cm가 채 안 되는 크기의 인공간 ‘ExViveTM’을 제작하는 데 성공했다. 간세포와 간성상세포, 내피세포 등으로 이뤄진 이 미니 인공간은 42일간 생명 활동을 유지했다. 이 미니 인공간은 2014년부터 신약 개발에 사용할 수 있도록 판매되고 있다. 한편, 인도의 팬도럼 테크놀러지스는 2016년 인간의 간 생체 조직을 3D 바이오 프린터로 구현해냈다. 젤리 성분의 ‘바이오 잉크’로 원하는 모양의 지지체를 만든 다음 세포를 증식, 분화시켜 3차 원적인 구조의 미니 간을 만들었다.미니 인공폐 개발도 한창 진행 중이다. 미시간 의과대학 등 다수의 기관이 참여한 연구팀은 2015년 3월 기증받은 폐의 줄기세포를 떼어 폐 오가노이드를 개발하고 있다고 밝혔다. 그리고 폐 세포를 100일 동안 배양해 가스 교환이 일어나는 허파꽈리를 생성시키는 데 성공했다고 발표했다.