52. 생체인쇄술(Bioprinting)

생체인쇄술(Bioprinting)(212)

 

↝ 3D 인쇄술의 발달은 제조업 분야의 혁신은 물론이고 깜짝 놀랄만한 생체인쇄술의 발달로

이어지고 있다. 이것은 생세포를 층층이 쌓아서 生組織을 인위적으로 조립하는 것이다.

근자에 이루어지고 있는 생체인쇄술은 모두 실험적인 것들이지만, 미래에는 새로운 산업간 수렴(收斂)의 요소로써 또한 실제 의학 분야에서도 혁명적인 변화를 주게 될 것이다.(78)

여러 가지 형태로 건립될 것이다. 모든 생체 프린터는 필요한 곳에 정확하게 자리를 잡도록 전후좌우, 상하로 움직이는 생체인쇄 꼭지로부터 세포 들을 출력하게 될 것이다.

수 시간에 걸쳐 아주 얇은 층으로 하나의 유기물체가 만들어질 것이다. 세포 들을 출력하는

이외에도 대개의 생체프린터 들은 세포들을 扶持하고 보호하기 위한 可溶性 겔을 출력하게 될 것이다.

생체인쇄 개척자들

↝ 이미 여러 개의 실험용 생체프린터가 만들어져 있다. 예를 들어, 2002년에 Makoto Nakamura 교수는 보통 잉크젯 프린터에서 사용하는 잉크 방울 크기가 인간의 세포와 크기가 비슷하다는 사실을 알게 되어 이 기술을 적용하기로 결심하고, 2008년에는 혈관과 유사한 생체 튜브를 출력할 수 있는 실용 생체 프린터를 만들어 내었다. 이윽고, 이식이 가능한 인간 장기를 프린트 할 수 있다는 희망을 갖게 된다.

또 다른 개척자로 Organovo 회사가 있다. Gabor Forgacs는 병아리에서 얻은 세포를 사용하여 기능적인 혈관과 심장조직을 생체 인쇄하는데 가까스로 성공 하였다. 이 과정에는 3개의 인자판(印字板, print head)을 사용하는 原型 생체인쇄에 의존 하였는데 2개의 헤드는 심장과 내피세포를 출력하는 용도이고 나머지 한 개는 골격단백질(骨格蛋白質)로 사용되는 아교질을 출력하는데 배당된 것이었다. 지금은 이 아교질을 생체종이(bio-paper)라고 부르는데 이는 프린트하는 동안 세포 들을 받쳐줄 것이다. 2008년 이후에는 Orgavono는

Invetech라는 회사와 함께 상업용 생체 프린터인 NovoGen MMX을 만들었다.

이 기계는 생체잉크 타원체로 채워지고 하나하나는 수천 수만의 세포 집합체를 가지고 있는 것이다. 이것을 출력하기 위해서는 그 NovoGen은 처음에 수분 바탕의 아교질과 젤라틴 또는 기타 水化젤(hydrogel)로 된 생체종이를 한 겹 내려놓게 된다. 그 후 생체잉크 타원체를 수분

바탕의 물질에 주입하게 된다. 밑의 그림에서와 같이 마지막 물체가 완성될 때 까지 한 겹씩 차례로 쌓아가는 것이다. 놀랍게도 자연(현상에 의해)은 이를 인계받게 되며 잉크 타원체는 천천히 서로 융합한다. 이 과정에서 생체종이는 녹아 없어지거나 다른 방법으로 제거된다.

그렇게 해서 최종적으로 생체 인쇄된 몸체 또는 조직이 남게 되는 것이다.

 

 

이 과정에서 보여주었듯이 어떤 장기의 상세한 부분까지 생체인쇄를 할 필요는 없다. 일단

관련 세포가 해당 인체 장소에 적당히 놓이면 자연(Nature)이 나머지 과업을 완성한다. 생체잉크 타원체 내에 들어있는 세포 들이 인쇄된 이후에는 스스로 재 정렬할 수 있는 능력이 있다는 사실이 밝혀지고, 이는 위의 내용(상세 부분 인쇄 불필요)을 강력하게 뒷받침하는 것이다. 예를 들어, 실험적으로 만들어진 혈관 들이 제 자리에 들어서게 되면 특별한 기술을 추가하지 않더라도, 내피세포는 스스로 혈관 안쪽으로 찾아가고, 평활근 세포는 혈관의 중간 층으로 가며, 또한 섬유모세포는 혈관의 바깥층으로 스스로 이동해 가는 것이다. 더 복잡한 생체 재료에서는 얽히고설킨 모세혈관과 기타 내부 구조들도 자연스럽게 생겨났다. 이 과정 들은 거의 마법처럼 들린다. 그러나 Forgacs 교수의 설명에 의하면 배아 상태의 세포 들이 복잡한 장기로 형태를 바꾸어 가는 방법을 이미 알고 있다는 사실과 다르지 않다. 자연(Nature)은 이 경탄스러운 능력을 수백 만 년 동안이나 진화시켜 오고 있는 것이다. 여하튼 일단 적절한 위치에 자리 잡으면 적절한 세포 형태가 뭘 해야 하는지를 알고 있는 것이다. 몇 가지의 실험에 성공하기는 하였으나 2015년 까지는 인간에게 적용할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 그러나 상품화하여 인간에게 적용하려면 독성 실험을 거쳐야 할 것이며 이렇게 함으로써 생체 인쇄된 간이나 기타 장기 들 모델에 약물 들을 테스트하여 동물 실험의 필요성을 줄일 수 있을 것이다.

머지않아 일단 인간 실험이 완성되면 이렇게 만든 이식편(생체)을 신장 관상동맥바이패스에

사용하게 되고, 조직이나 장기가 필요할 때 마다 광범위하게 개발 될 수 있을 것이다.

Organovo 회사는 첫 인공 인간 장기가 신장(콩팥)이 될 것으로 예상하고 있다. 기능적인 면에서 신장이 가장 간단한 장기 중의 하나이기 때문이다. 더구나 첫 시제품은 진짜 신장과

모양이 똑 같을 필요는 없을 것이고 진짜 복제품일 필요는 없을 것이다. 오히려, 혈액으로 부터의 노폐물을 제거할 수만 있으면 될 것이다.

재생식 골격(단백질) 및 뼈(Regenerative Scaffolds and Bones)

↝ 주문식 인간 장기를 생산할 장기적인 목표로써 Envisiontec Bioplotter를 개발하였다.

Organovo의 NovoGen MMX와 같이 생체잉크 타원체(spheroids)와 섬유소과 수화젤 아교질을 포함한 扶持 밑바닥(골격) 재료를 출력한 것이다. 그 외에도 Envisiontec은 광범위한 생체물질 들도 출력하였다. 이 속에는 인공장기를 부지하고 인공장기를 생성시키도록 돕는데 사용할 수도 있는 생분해성 중합체(polymer)와 세라믹이 포함되어 있고 생체 인쇄된 뼈 대용물로 사용할 수 있을 것이다.

뼈에 대해서 말한다면, 컬럼비아 대학의 Jeremy Mao가 치아와 골격의 수선에 생체인쇄술을

적용시키려는 연구를 진행하고 있다. 이미 쥐 실험에서 앞니 모양을 갖춘 그물망의 삼차원 뼈대가 생인쇄 되어 턱뼈에 이식된 바 있다. 이것은 서로 연결이 되는 작은 채널인데 그 안에

줄기세포를 동원하는 물질이 들어있는 것이 특징이다. 이식한 지 불과 9주 만에 이것은 치주

인대를 재생시켰고 치조(齒槽)골의 신생에 향도잡이가 되었다. 머지않아 인간에게도 적용이

가능할 것으로 기대된다. 이 연구진들은 쥐의 엉덩뼈에도 이 실험을 성공리에 끝냈다.

워싱턴주립대에서도 이와 비슷한 3D 기술을 이용하여 차후 인간의 골격 손상을 수리하는데

있어서 유용할 수도 있는 유사 골격 물질을 개발했다고 한다.

 

제 자리 생체인쇄술( In Situ Bioprinting)

↝ 위에서 언급한 연구 과제 들은 얼마 안 있어서 환자 스스로의 세포를 배양함으로써 실험실에서 생체인쇄가 가능할 것으로 보고 있다. 그러한 발전은 따라서 의학적 혁명에 불을

붙일 것이다. 이미 세포 들을 인체 상에 또는 인체 내부에 직접 출력할 수 있는 기술력을 개발함으로써 앞장서 가려고 시도하고 있기도 하다. 다음 10년 안에 이사 들은 상처를 스캔해서 세포층을 뿌려 줌으로써 신속하게 상처를 치유하게 될 것으로 보고 있다.

이미 Anthony Alata (the Wake Forrest School of Medicine) 등은 피부 printer를 개발했다. 쥐 실험에서 피부 세포와 응고제, 및 아교질을 상처에 뿌려 주었다. 결과는 매우 유망하였다. 대조군이 5~6주 걸리는 것에 비해 단지 2~3 주 만에 상처가 치유 되었던 것이다. 피부 프린팅 프로젝트를 위한 자금은 전장에서 입은 부상 치유를 제자리 생체술로

치유하기를 간절히 바라고 있는 미 육군에서 일부 지원하고 있다. 현재로서는 아직 임상 적용 전단계이지만 돼지를 이용하여 계속 연구 중이고, 인간에게 적용시키는 일은 불과 5년이면

될 것이다.

우리 몸을 수리하기 위하여 제 자리 프린터(즉석프린터)를 사용할 잠재성은 너무나 신나는 일이다. 아마도 수십 년 이내에 로봇 수술 팔에 생체인쇄 프린트헤드를 달아서 세포 수준에서

손상을 수리하고 또한 출구에서 진입점을 수리 할 수 있을 것이다. 그렇더라도 환자 들은

생인쇄된 물질들이 성숙한 생 조직으로 완전히 융합될 때 까지 안정과 회복을 위한 수일간의 기간이 필요하게 될 것이다. 그러나 대개의 환자 들은 엄청 큰 수술에서도 일주일 내로 회복될 수 있을 것으로 본다.

 

미용성형 적용(Cosmetic Applications)

↝ 작동하는 동안에 인체의 작은 구멍을 통해 생체 인쇄(keyhole bioprinters)를 하면서 체내에서 장기를 수리하도록 하는 한편, 또한 즉석 생체 인쇄를 통해 미용성형도 적용 할 수 있을 것이다. 예를 들어, 안면 프린터를 만든다. 이것은 기존의 피부를 증발시키고 동시에

그 부분을 정확한 환자의 사양(仕樣)에 맞춘 새로운 세포로 대치하게 된다.

그리하여 사람들은 인터넷에서 얼굴 형태 스캔한 것을 내려 받아서 스스로에 적용시킬 수 있다. 혹은, 몇 몇의 10대 들은 자기 자신의 얼굴을 스캔해 두었다가 분명한 영원불멸의 젊음을 성취하기 위하여 수년 마다 한 번씩 再三再四 적용할 수 있을 것이다.

당신들의 안면 세포를 레이저 광선으로 천천히 태워 없애고 필요에 따라 다시 프린트해 낸는 발상은 아무라도 참아낼 수 없는 악몽같이 들린다. 그러나, 우리 모두가 알고 있듯이,

오늘날 수많은 사람 들이 미용적으로 질이 훨씬 떨어지는 것을 이루기 위하여 수술 칼 밑으로 기어들고 있다는 사실을 상기하라.

안면 프린터를 이용할 수 있게 되면--운동 같은 귀찮은 작업 없이도 새로운 근육을 인쇄할

수 있는 프린터는커녕-- 시장을 찾을 가능성이 매우 크다.

 

생체 인쇄의 숨어 있는 의미(含意, Bioprinting Implications)

↝ 생체인쇄술이 의학에 적용되기 시작하면, 대치되는 장기는 환자 개개인의 설계명세서 (specification)에 맞추어서 출력이 될 것이다. 인쇄되는 각개의 품목은 환자 본인의 세포를

배양해서 만들어질 것이므로 장기이식에 따른 거부반응의 위험이 상당히 낮아질 것이다.

미세공학(나노기술) 및 유전공학의 발달과 더불어, 생체 인쇄술이 함께 발달하면 생명 연장을 추구하는데 있어서 강력한 수단임이 증명될 것이다. 생체프린팅의 주류는 또한 신산업융합을

필연적으로 태동시키고, 의사들과 함께 기술자 들, 그리고 컴퓨터 과학자 들 모두가 점차적으로 가장 기본적인 세포 수준에서 생 조직을 다루는 방법을 배우도록 만들 것이다.

 

참고 문헌

212. http://www.explainingthefuture.com/bioprinting.html