탈세포 기술(세포 제거술)과 3D 프린팅
[한국시민기자협회 뉴스포털1 박윤지, 김시진기자] 건강하고 흠이 없는, 모든 여성이 흠잡을 곳이 없길 바라는 것은 얼굴이다. 물론 작은 상처 뿐 아니라 절단, 화상 등 상처를 입은 환자들에게는 더욱 절박한 문제일 것이다. 최근의 의학 발달로 인해서 피부에 상처가 나면 쉽게 치료제로 치료할 수 있다. 그러나 절단, 화상 등을 통해 없어진 기관은 치료 시 많은 비용을 내거나 치료를 하였어도 완치할 수 없는 것이 현실이다.
이러한 문제를 Worcester Polytechnic Institute (WPI), the University of Wisconsin-Madison, and Arkansas State University-Jonesboro의 연구원들이 2017년 5월에 저널 Biomaterials에 "관류가 가능한 조직 공학의 발판으로 탈세포 식물 이용"이라는 논문을 발표해 해결책을 제시하였다. 이 논문의 주요 기술인 탈세포 기술(세포 제거술, Decellularization)은 식물의 식물세포와 면역거부반응 유도 물질을 갖는 세포를 제거하고 남은 빈 셀룰로스로 이루어진 뼈대에 동물 세포를 배양하는 기술이다. 이는 식물을 이용하였기에 비용적인 측면과 의학적인 측면을 해결할 수 있는 해결책을 제시하였다. 최근엔 사과로 만든 귀, 시금치로 만든 심장조직 등을 배양하는 데 성공하였으며 최근 국내 연구원들이 3D 기술과 탈 세포 기술을 이용해 새로운 인공 간을 만들어 내는 연구를 발표하였다.
또한, 최근에는 인간의 장기를 대체하기 위한 탈세포를 이용하여 3D 바이오프린팅 기술, 인체 장기를 모사하는 생체모사 기술 등에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.
특히 3D기술은 놀라울 정도로 성장하고 있는데, 최근 3D 프린터를 이용하여 모형을 만들 뿐만 아니라 인공장기를 만들려는 노력이 계속되고 있다. 3D 세포 프린팅은 인간 유래 세포와 천연 고분자 물질로 만들어진 바이오잉크가 세포 프린터를 통해 피부, 혈관, 연골 등 장기로 출력이 된다. 즉 인체 조직 세포, 줄기세포 등을 이용하여 생체기능을 수행하는 3차원의 조직이나 장기를 만드는 기술로, 인간의 장기를 15~20% 정도 프린트하여 이식하더라도 망가진 장기를 살릴 수 있으며, 자신의 세포를 이식하기 때문에 위험성이 줄어든다. 이 소식은 사고나 질병으로 신체의 일부분을 잃어버린 환자들에게는 삶의 기능을 회복 시켜줄 수 있는 희소식으로 전해지고 있다.
특히 간 질환은 사망률이 높아 환자들이 간이식을 원하지만 장기가 부족하여 많은 한계점을 가지고 있다. 이러한 한계를 3D 프린팅 실용화에 가장 근접한 장기인 간이 많은 가능성을 보인다. 또한, 간은 재생능력이 뛰어난 장기이므로 3D 프린팅을 통해 이식하면 더 수월하게 회복할 수 있다. 3D 세포 프린팅은 세포와 생체 공학의 의도적인 위치를 극복하는 방법이다. HY 인당 재생의학줄기세포연구센터에서 간 조직의 생화학적 환경을 모방하기 위하여 탈세포화된 간세포를 개발하였다.
간세포를 탈세포화하여 바이오링크에 적용했으며 Ld 세포외기질을 이용한 3D 세포 인쇄 구조물에서 간세포의 간 기능과 간세포의 상호작용 가능성이 관찰되었다.
이는 3D 프린팅 기술을 사용하여 간 구조물을 생성할 수 있다는 것이며, 이른 시일 내 폐와 심장, 간, 대장, 소장 등 장기를 3D 프린터로 프린트하는 시대가 올 것이다.
또 이 기술이 필요한 다른 환자들로는 각막 이식이 필요한 환자들이다. 각막 이식을 필요한 환자들 수와 비교해 보았을 때 기증자들 수가 적기 때문에 많은 환자는 기증을 기다리고 있는 현실이다.
이러한 문제를 탈세포 기술로 각막에도 적용할 수 있다. 각막은 눈이 중심부에 위치하여 외부물질이 각막 내로 침투하는 것을 차단하여 눈을 보호하고 빛의 굴절과 전달에 중요한 역할을 하는데 세밀한 신경외과적 수술과 수술시 화학적 각막 손상 등으로 상피세포의 재생력을 저해시키므로 시력의 저하를 일으킨다.
반면에 탈세포화 각막 조직은 라식 수술로 얻은 각막 실질 조직을 탈세포한 조직으로, 콜라겐 섬유구조를 가지기에 안정적이다. 하지만 이는 각막 상피 세포 부착 및 증식이 제한적이어서 치료를 하는데 어려움이 있다.
이러한 한계점을 압축 콜라겐시트와 탈세포화 각막실질을 결합하여 기계적, 물리적 특성을 모두 만족하고 안정적인 이식 수술과 세포지지가 가능함을 확인하여 극복하였다.
중국의 재생의학국제유한회사에서 돼지의 각막을 탈세포하여 14세 소년이 이식 받은 결과 시력이 0.6까지 회복되었다는 결과가 보고되었다. 중국에서 돼지 각막 이식은 연구가 활발히 진행 중이며 94.44%의 높은 성공률을 보인다고 한다.
탈세포는 사람에게 인공장기를 직접 넣을 수 있는 장점이 있지만 아직까지는 안전성에 문제가 많다. 이를 위해서는 많은 연구가 선행되어야한다.
또한, 기관을 재구성하기 위하여 토끼 모델로 인공호흡기 이식을 위한 구성 요소들을 생산할 수 있는 새로운 종류의 바이오 잉크를 개발하였다. 이 연구는 토끼 10마리를 각각 3D 프린팅과 탈세포 기술을 이용한 실리콘 링과 콜라겐, 실리콘 링과 세포질(tmdECM)을 삽입해 3개월간 관찰하였다.
연구결과는 4~8주 후 실리콘 링과 콜라겐이 삽입된 군은 호흡곤란이 심하게 나타났으며, 모든 군에서는 심한 점막 부종, 허혈성 변화 및 심한 육아가 나타났다. 이는 협착의 최소화와 점막 재생을 개선하기 위해 아직 많은 연구가 필요한 것을 알 수 있다.
현재, 이식환자들을 위한 장기 대체 연구가 지속적으로 진행되고 있고, 이러한 연구들은 부작용을 최소화하기 위해 많은 연구가 필요한 것을 알 수 있다. 그렇지만 연구가 실용화된다면 화상 등으로 인한 코나 귀 등이 녹아내린 환자들과 당장 기증 장기가 필요한 환자들에게는 희망적인 연구라는 것은 환자들에게 큰 희망이 될 수 있다.