바이오 인공장기의 미래 2017년 기술영향평가 결과보고

이종장기 기술 중 돼지를 이용한 세포 및 조직 이식은 전 세계적으로 임상시험 단계거나 임상시험 도입 직전 단계에 이르고 있으며, 장기의 경우 영장류에 이식하는 연구가 활발히 진행 중이다. 이종장기 분야는 세포·조직·장기의 종류에 따라 면역학적 문제나 장기 생존 문제 등에 차이가 있어 발전 속도도 각기 다르다. 면역거부반응이나 이에 따른 세포 괴사 등의 한계점이 극복된다면 10~15년 후에는 일부 이종 세포‧조직이 상용화될 것으로 예상된다. 세포 기반 인공장기 분야에서는 환자 자신의 세포를 활용해 제작한 인공피부, 연골 등이 이미 상용화됐다. 그 외의 맞춤형 인공조직이나 장기는 필요한 세포 및 활용하는 지지체의 종류에 따라 개발 단계가 다르다. 다만 오가노이드 형태의 ‘미니 장기’는 약물 및 화장품 시험, 질환 모델링 분야에서 빠르게 발전해 나가고 있다. 이종장기 이식의 권위자인 키이스 림츠마(Keith Reemtsms)는 인류 역사상 최초의 이종 이식을 그리스 신화에 등장하는 다이달로스(Daedalus)와 그의 아들 이카루스(Icarus)의 이야기에서 찾을 수 있다고 말한다. 다 달로스와 이카루스는 크레타 섬에서 그리스 본섬으로 날아오기 위해 팔에 새의 날개를 붙였다고 한다. 신화에서는 이카루스가 태양에 너무 가까이 다가가 땅으로 추락했다고 하지만, 림츠마 박사는 그것이 초급성 면역거부반응 때문일 것으로 추측한다. 신화가 아닌 실제 기록에서 이종 이식이 가장 먼저 시도된 예는 수혈이었다. 17세기 중엽부터 프랑스의 과학자들은 동물을 이용해 수혈을 연구했다. 한 예로 1660년대 프랑스 의사인 장 바티스트 드니(Jean Baptiste Denis)가 여러 차례 환자에게 양의 피를 수혈했다는 기록이 남아있다. 미국 툴레인대학교의 키이스 림츠마 교수는 1963년 침팬지의 신장을 사람에게 이식했다. 그는 1960년대에 이와 비슷한 수술을 13건이나 수행했는데, 환자는 대부분 4~8주 사이에 사망했다. 단 한 명, 선생님이었던 23세 여성은 건강을 회복하여 학교로 돌아갔고, 수술 후 9개월을 더 생존했다. 또 같은 해 토마스 스타즐은 같은 해 콜로라도에서 개코원숭이의 신장을 인간에게 이식하는 수술을 여러 건 시도했다. 결과는 림츠마 박사와 비슷했고, 장기 생존한 환자는 없었다. 최초의 폐 이종 이식 수술을 시행했던 제임스 하디 또한 같은 해 심각한 혈관 질환을 앓고 있던 환자에게 침팬지의 심장을 이식하는 수술을 했으나 환자는 몇 시간 만에 사망하고 말았다. 침팬지의 심장은 인간의 심장보다 훨씬 작아서 충분한 혈액을 순환시키지 못했던 것이다. 그렇다면 왜 이종장기 이식을 위한 형질전환 동물로 돼지가 선택됐을까. 초기에 많은 과학자들은 원숭이를 포함한 영장류의 장기를 이식에 이용하려고 했다. 유전적으로 가깝기 때문에 이식에 적합할 것이라 생각했기 때문이다. 그러나 대부분 영장류의 장기를 이식받은 환자는 길어야 며칠 정도 더 살 수 있었을 뿐이다. 또한 영장류의 장기 이식에는 몇 가지 문제점이 있었다. 영장류는 대부분 멸종 위기종인 데다가 한 배에 1~2마리 정도만 출산하고 성장하는 속도가 더디며 장기의 크기도 인간의 것보다 작은 경우가 대부분이다. 반면 돼지, 그 중에서도 작은 크기로 개량한 미니 돼지의 장기 크기는 인간의 장기와 비슷하다. 임신 기간도 127일로 짧고, 한 배에 다섯 마리에서 열 두 마리 정도의 새끼가 태어나 까다로운 조건 없이도 쑥 쑥 잘 자란다. 사람과 유전적으로 너무 가깝지도 너무 멀지도 않으며, 인간과 오랜 시간을 같이 지낸 동물이어서 사람에게 치명적인 감염원을 보유할 가능성도 낮다. 또한 대량사육이 가능해 장기를 안정적으로 공급할 수 있다는 점도 큰 장점이다. 면역거부반응을 해결하지 못해 정체됐던 이종장기 개발은 2000년 대 들어 급물살을 타게 됐다. 2002년 1월 미국 미주리 대학 랜덜 프래서(Randall S. Prather) 박사팀과 바이오벤처 이머지 바이오세러퓨러틱스(Immerge BioTherapeutics) 사는 세계 최초로 인체에 거부반응을 일으키는 유전자를 제거한 형질전환(transformation) 돼지를 탄생시켰다. 이종장기 이식 시 일어나는 거부반응은 초급성 거부반응(HAR: hyperacute rejection), 급성혈관성 거부반응(AVR: acute vascular rejection), 세포매개성 거부반응(CMR: cell-mediated rejection)3 순으로 나타난다. 최초의 형질전 환 돼지들은 이 중 초급성 거부반응을 일으키는 유전자를 제거한 것이었다. 돼지의 장기를 사람에게 이식하면 사람이 가지고 있는 면역체계(자연항체)가 돼지의 장기 표면에 존재하는 알파-갈락토오스(α-Gal)와 급격히 반응해 이 중 초급성 거부반응을 일어난다. 이식 후 초급성 거부반응이 일어나면 이식한 장기를 못 쓰게 될 뿐 아니라 생명까지 위험해진다. 이종 이식 장기를 공급하기 위한 형질전환 미니 돼지의 개발은 지금도 계속되고 있다. 이 분야의 세계 최고 기술을 가진 나라는 미국으로, 2012년에는 초급성·급성 거부반응을 일으키는 유전자를 제거한 돼지를, 2014년에는 초급성·급성 혈관성 거부반응을 제어한 돼지를 개발했다. 2015년 형질전환 돼지의 신장을 원숭이에게 이식하여 5개월 동안 생존시켰고, 2016년에는 형질전환 돼지의 심장을 개코원숭이에게 이식하여 945일간 생존하는 기록을 세웠다. 최근 미국의 제약회사인 유나이티드 세라퓨틱스(United Therapeutics) 사는 연간 1,000개의 돼지 폐를 생산하기 위한 기업형 농장을 노스캐롤라이나 주에 설립하겠다고 밝혔다. 일본도 2004년부터 형질전환 돼지를 생산하기 시작했다. 2016년 농촌진흥청 국립축산과학원과 건국대병원 연구팀은 돼지 심장을 원숭이에게 이식해 국내 최장인 60일간 생존하는 기록을 세웠다. 같은 해 농촌진흥청과 서울대, 강원대 공동연구팀은 돼지의 간을 이용해 면역거부반응이 없는 이종 이식용 인공간을 제작하는 데 성공했다. 이 인공간은 형질전환 돼지 간을 이용해 지지체를 만들고, 역분화 줄기세포로 재세포화하는 방법을 활용해, 줄기세포를 이용한 맞춤형 인공간 개발에 한발 다가선 성과라고 보도됐다. 또한 2017년 서울대병원 연구팀은 돼지의 심장 외막을 이용해 토종 기술로 개발한 폐동맥 인공심장 판막을 환자 10명에 적용한 임상시험을 성공시키기도 했다. 현재 세계 각국은 이종장기 기술을 선점하기 위해 만전을 기하고 있다. 일본은 동물 유래 세포 및 장기의 인간 이식을 금지해 온 관련법을 개정해 ‘이종 이식’에 속도를 낼 방침이다. 미국 FDA도 다른 치료 방법이 없는 환자에 한해 이종장기 이식을 예외적으로 허용하고 있다. 곧 임상시험을 통해 안정성이 확보되는 대로 이종장기 이식을 확대할 태세다.