각막을 다친 환자에게 3차원(3D) 프린터로 새 각막을 생성해 이식한다. 간이 손상된 환자에게는 돼지 간에서 추출한 부위 일부를 역시 3D 프린터로 오려내 붙인다. 혈관이나 피부도 마찬가지다. 먼 미래가 아니라 세계 과학계에서 이미 일어나고 있거나 눈앞에 둔 일이다.

3D 프린팅 기술을 활용해 각막, 간, 피부, 혈관 등을 생성해 인간에게 이식하는 기술을 ‘3D 바이오프린팅’이라고 부른다. 미국, 중국 등 해외는 물론이고 국내에서도 3D 바이오프린팅을 통해 인공장기를 생산하려는 움직임이 빨라지고 있다. 타인의 장기를 이식받기 위해 병원에서 막연하게 기다리는 일이 점점 더 줄어들 것이라는 전망이 나온다.
성큼 다가온 인공장기 시대…'3D 바이오프린팅'이 열쇠
‘환자 맞춤형 인공장기’ 생산한다

최초의 바이오프린팅 기술은 2008년 개발됐다. 나카무라 마코토 일본 도야마대 교수는 장기를 수평으로 얇게 저민 뒤 층별로 세포의 배열 순서를 알아낸 다음, 잉크젯 프린터로 똑같은 생체 구조물을 찍어내는 데 성공했다. 잉크젯 프린터가 분사하는 잉크방울 크기가 10㎛(마이크로미터)인 인체 세포 크기와 비슷하다는 점에서 착안한 것이다.

나카무라 교수는 당시 “20년 후쯤이면 이 기술이 실용화돼 장기이식 수술을 위한 ‘훌륭한 심장’을 대량 생산할 수 있을 것”이라고 말했다. 그러나 그보다 10년가량이 이른 지금, 이 기술은 이미 현실로 서서히 나타나고 있다.

지난해 5월 영국 뉴캐슬대 연구진은 세계 최초로 사람의 각막을 3D 프린터로 제작했다. 기반이 된 것은 사람들에게 기증받은 각막 줄기세포다. 해초에서 추출한 알긴산염과 콜라겐 등으로 바이오잉크를 만든 뒤, 이를 각막 줄기세포와 혼합해 인쇄했다. 그 결과 사람에게 적용할 수 있는 인공각막이 탄생했다.

3D 바이오프린팅은 간단하게 말해 흔히 쓰는 잉크젯 프린터처럼 특정 재료를 활용해 사람에게 이식할 수 있는 신체부위를 모사하는 것이다. 그 과정에서 줄기세포 등이 쓰이면서 인체에 적용됐을 때 자연스럽게 정착할 수 있도록 영향을 준다.

핵심은 바이오잉크에 있다. 보통 젤 형태로 만들어져 있는데, 신체 부위에 따라 그 성분이 다르다. 통상 콜라겐이나 펩타이드처럼 세포가 포함된 세포계 재료와 치아·뼈 등의 인산칼슘, 그리고 연골 재생에 필요한 다당류 등의 비세포계 물질을 이것저것 혼합해 사용한다. 바이오잉크는 열을 가해도 세포가 손상되거나 기질이 변화하면 안 된다. 이 때문에 적합한 바이오잉크 재료를 찾는 게 이 분야 연구진의 핵심 과제다.

미국 생명공학업체인 오가노보는 2013년 수만 개 세포로 구성된 바이오잉크를 사용해 1㎝가 되지 않는 인공간을 제작했다. 인공간이 42일간 생명활동을 유지했고, 이 연구 결과를 토대로 오가노보는 신약개발에 나섰다. 중국의 레보텍은 2016년 원숭이의 지방층에서 추출한 줄기세포를 이용해 혈관을 3D 프린팅한 뒤 다시 원숭이에게 이식하는 데 성공했다.

포스텍, 세계 최초 세포프린터 개발

국내에서도 3D 바이오프린팅 기술을 활용한 인공장기 개발 움직임이 활발하다. 학계에서 주도하는 인물은 조동우 포스텍 기계공학과 교수다.

조 교수는 2016년 3D 세포 프린팅으로 세계 최초의 인공근육 제작에 성공했다. 골격근 조직에서 세포만을 제외한 세포외기질을 바이오잉크로 활용했다. 이 바이오잉크에 줄기세포를 결합하면 실제 세포처럼 생명력을 얻는다. 제작된 인공근육은 실제 근육과 흡사한 움직임을 보여 학계의 주목을 받았다. 조 교수는 같은 방식으로 인공피부도 만들었다.

조 교수는 또 심근경색 환자들에게 쓰일 수 있는 인공심장 조직 연구에 나섰다. 그는 “돼지 조직을 탈세포화시켜서 남은 세포를 패치식으로 만든 뒤 인간의 심장에 붙이는 기술”이라며 “이를 통해 죽었던 심장을 다시 복원하는 것”이라고 설명했다.

돼지의 신체조직은 인공장기를 만드는 데 두루 쓰인다. 원숭이나 소처럼 각종 질병이 발생할 우려가 없고, 가격이 저렴해서다. 다만 일반 돼지는 인체에 바로 적용했을 때 부작용이 있을 수도 있기 때문에 인공장기 생성에 적합한 유전자변형 돼지가 널리 쓰이고 있다. 학자들은 돼지의 조직을 점성화된 바이오잉크로 만든 뒤 3D 바이오프린팅으로 모양을 완성하고, 여기에 줄기세포 등을 결합해 인체에 적용하는 방식을 쓴다.

기업 쪽에서는 국내 최초의 3D 바이오프린터를 개발한 로킷이 선두주자다. 각막과 심장조직을 만들어 토끼를 대상으로 적용하는 데 성공했다. 삼성서울병원은 3D 프린팅 기술을 이용한 구강암 환자의 턱뼈 재건수술에 성공했다.

윤희은 기자 soul@hankyung.com