바이오 인공장기 기술의 발전 현황과 유형별 특징 및 미래 전망 doc_id PCY_201808010456496571_7

2016년 울산과학기술원과 미국 웨이크포레스트 재생의학연구소는 3D 바이오 프린팅을 이용하여 초소형 인공심장을 만드는 데 성공했다. 길이 0.25㎜인 이 인공심장은 전기 자극을 주면 움직이고, 심장 박동 속도도 실제 심장과 동일하다. 연구진은 현재 미니 간 제작에도 성공했으며, 이후에는 심장 혈관과 폐도 만들 계획이라고 밝혔다. 같은 해 7월 미국 UC 버클리 연구진 등은 역분화 줄기세포를 이용해 스스로 뛰는 약 0.5mm 크기의 3차원 미니 심장을 만들었다고 발표했다. 2013년 오스트리아 분자생명공학연구원은 성인의 피부 세포로 유도 만능줄기세포를 만든 다음, 인간의 대뇌와 비슷한 신경세포 조직으로 성장시키는 데 성공했다. 그리고 이 뇌를 특별한 배양 조건에서 2개월 만에 최대 4mm로 키웠다. 완두콩보다 약간 작은 크기의 ‘미니 뇌’는 해마, 피질 등 인간의 뇌와 비슷한 구조를 갖췄고, 신경세포가 전기적 신호까지 주고받을 만큼 기능도 유사했다. 이 밖에도 현재 갑상선, 췌장, 전립선 등 다양한 ‘미니 장기’가 개발되어 질병 연구와 약물 반응 검사 등에 활용되고 있다. 한림대 한강성심병원은 2015년 실제 피부처럼 진피와 표피를 가진 바이오 인공피부를 세계 최초로 개발했다. 사람의 피부는 각질층인 표피(상피 세포)와 콜라겐으로 이뤄진 진피(섬유아세포)로 구성되어 있는데, 현재까지 진피는 인공으로 만들 수 있지만, 표피는 환자 자신의 피부를 이식해야만 했다. 연구진은 3D 프린터로 피부 지지체를 제작하여 그 위에 배양한 상피세포와 섬유아세포를 얹어 세포들이 각자 자기 위치에 안착하도록 설계했다. 이로써 환자의 피부를 아주 적은 면적만 떼어내도 상피세포와 섬유아세포를 대량으로 배양할 수 있어 화상 등 피부 손상을 입은 환자를 안전하고 효율적으로 치료할 수 있게 됐다.캐나다의 토론토대학과 온타리오 주 바이오 창업·연구 지원기관인 마스 이노베이션(MaRS Innovation)은 모낭과 땀샘을 가진 이식 피부를 제작할 수 있는 3D 프린팅 기술을 개발하기도 했다. 또, 일본 이화학연구소(RIKEN)와 도쿄대 등 공동연구진은 2016년 3월 쥐의 잇몸 세포로 만든 유도만능줄기세포로 모공과 피지샘이 있는 피부 조직을 개발하는 데 성공했다고 밝혔다. 우리나라도 그 뒤를 바짝 쫓고 있다. 농촌진흥청 국립축산과학원은 2009년 초급성 거부반응을 일으키는 유전자를 제거한 형질전환 돼지 ‘지노’를 만들었고, 이듬해인 2010년에는 초급성·급성 거부반응을 일으키는 유전자를 제거한 ‘믿음이’를, 2011년에는 급성혈관성 거부 반응을 억제한 ‘소망이’를 개발했다. 2016년 7월에는 초급성과 급성혈 관성, 급성 거부반응을 모두 억제한 ‘사랑이’를 탄생시켰다. 2018년부터는 사랑이의 췌도, 각막 등을 원숭이에게 이식하는 실험에 들어가고, 이 실험이 성공하면 사람을 대상으로 한 임상시험에 들어갈 예정이라고 밝혔다. 미국과 뉴질랜드, 중국, 일본에서는 돼지의 췌도를 사람에게 이식하는 임상시험을 실시하고 있다. 췌도(랑게르한스섬, Langerhans islet)는 췌장(이자)에 섬 모양으로 존재하는 내분비샘 세포 집단으로, 인슐린을 분비한다. 제1형 당뇨병은 췌도에서 인슐린 분비가 제대로 되지 않아 생기는 병이다. 이 경우 인슐린을 투여해 치료해야 하는데, 인슐린은 단백질이어서 입으로 복용하면 강한 산성인 위 안에서 분해되어 버린다. 이 때문에 주로 피부 아래의 지방층에 주사한다. 빈번한 주사의 고통을 참아야 하는 당뇨 환자들을 위한 새로운 대안이 바로 췌도 이식이다. 뉴질랜드의 세포치료 전문회사인 리빙 셀 테크놀러지(Living cell technologies: LCT) 사는 돼지의 췌도를 이용하여 제1형 당뇨병 세포 치료를 하기 위한 검증의 막바지 단계를 거치고 있다. 면역반응으로 췌도 세포가 파괴되는 것을 막기 위해 해조류 유래 반투막 캡슐로 감싸 인체에 이식하는 방식이다. 반투막 캡슐은 항체와 대식세포 등 인체의 면역세포가 췌도 세포를 파괴하는 것을 막아주는 동시에, 췌도 세포가 생존하고 성장하는 데 필요한 산소와 영양분은 통과시키고 생산된 인슐린은 내보내는 기능을 한다. 이식한 세포는 혈당을 인지하면 자동으로 인슐린을 분비하게 되는데, 효과는 1년 정도 지속된다. 리빙 셀 테크놀러지 사는 현재 일본의 오츠카 제약과 함께 벤처 회사를 설립하여 치료제(DIABECELL®)의 품목 허가를 취득하고 제품화하기 위해 박차를 가하고 있다. 현재 활용되고 있는 바이오 인공장기 기술은 인공피부나 연골과 같은 일부 구조적 조직에 한정돼 있는 상황이다. 또한, 기존의 기계적 인공장기는 장기부전 환자의 장기 기능을 완전히 대체하는 것이 아니라 장기 이식을 기다리는 기간 동안 일부 기능을 대체하거나 보조하는 역할에 그치고 있다. 그러나 최근 면역조절 기술, 역분화 줄기세포(induced pluripotent stem cell, iPSC)분화 및 배양 기술, 3D 바이오 프린팅 기술 등 각종 관련 기술들이 급속하게 발전함에 따라 바이오 인공장기 기술의 발전 속도는 점점 더 빨라지고 있다. 따라서 10년~15년 후에는 동물 유래 세포나 조직, 환자 자신의 줄기세포를 이용한 이식용 세포나 조직이 일부 사용되는 단계까지 이를 것으로 보인다. 이식되는 부위의 특성에 따라 발전 속도는 다를 것으로 보이는데, 전문가들은 각막·췌도, 신장·심장, 간·폐 순으로 개발될 것이라 전망하고 있다. 10~15년 후에는 몇몇 종류의 맞춤형 인공세포·조직이 상용화될 수 있을 것으로 보인다. 특히 인공혈관의 상용화 가능성이 매우 높다. 위장이나 귀, 기도, 심장 등은 임상단계에 진입할 수 있을 것으로 예상된다. 현재 전자기기를 이용한 인공장기 기술은 인공심장처럼 동종 이식 수술을 기다리는 동안 장기의 기능을 일시적으로 대체하거나, 혈액 투석기나 인슐린 펌프와 같이 보조 또는 일부 기능을 회복시키는 데 사용되고 있다. 최근에는 단순한 기계장치를 넘어 신경신호나 근육의 움직임 등 생체정보와 상호작용하는 착용형·이식형 장치를 개발하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 외부에 있는 다른 기계에 연결하지 않아도 독립적으로 작동하는 더 작고, 더 가벼워진 전자기기 인공장기는 10년~15년 후 출현할 것으로 예상된다. 기술영향평가위원회에서는 바이오 인공장기는 이종장기와 세포 기반 인공장 기, 전자기기 인공장기의 세 분야가 서로 경쟁하고 또 보완해 가며 시장을 형성할 것이라고 전망했다. 먼저 바이오 인공장기의 기술들은 서로 경쟁적인 시장을 형성할 수 있다. 장기부전을 일으켜 장기 이식이 필요한 환자는 이종장기와 세포 기반 인공장기, 전자기기 인공장기 중 셋 모두가 아닌 하나를 선택하여 이식받을 것이기 때문이다. 경제 용어로 말하자면 각자가 서로 경쟁 관계에 있는 대체재가 되는 셈이다. 세 가지 기술은 현재 각 기술이 가지고 있는 약점을 성공적으로 해결하느냐 그렇지 못하느냐에 따라 앞으로 시장에서 차지하는 위치가 달라질 것으로 보인다. 예를 들어 이종장기는 감염 위험성, 면역억제제 사용, 사회적 거부감 등 상용화를 위한 숙제가 남아 있다. 이를 해결하지 못할 경우 다른 형태의 바이오 인공장기에 비해 시장이 작아질 수밖에 없다. 전자기기 인공장기는 지속적인 정비가 필요하다는 현재의 문제를 해결해야 하고, 타인의 줄기세포를 이용한 세포 기반 인공장기는 윤리적 문제를 풀어야 한다. 세 가지 기술 모두 안전성 이라는 고지 또한 넘어야 한다.