만성폐쇄성폐질환, 폐 이식을 위한 획기적인 3D 인쇄법 개발

만성폐쇄성폐질환(COPD)는 자극성 물질, 특히 흡연으로 유발되는 진행성 폐질환이다. 말기 COPD는 폐 이식으로만 치료할 수 있지만, 장기 기능자가 한정적이다.

이 때문에 생명공학기업 유나이티드 테라퓨틱스 코퍼레이션은 제한 없이 장기를 제공할 수 있도록 3D 인쇄법을 개발 중이다. 새로운 연구에 따르면, 최고의 해결책은 조기치료임이 밝혀졌다.

만성폐쇄성폐질환 – COPD

과거 만성 기관지염 또는 폐기종으로 알려진 COPD는 진행성 질병으로, 장기적인 호흡곤란과 폐의 공기 흐름 문제가 유발되고 결국 폐 손상으로 이어진다. 증상에는 가쁜 호흡과 객담을 동반한 기침 등이 있다. 질병이 진행될수록 걷는 것이 힘들어지고, 심지어 옷을 입는 일조차 부담이 된다.

COPD의 가장 일반적인 원인은 흡연이다. 흡연자 중 약 20%가, 평생 흡연자 중 50%가 COPD에 걸린다. 공기 오염과 유전 또한 COPD 발병에 영향을 미친다. 개발도상국가에서는 직화 조리법 때문에 가정 내 공기 오염 현상이 발생해 COPD의 주요 원인이 되고 있다.

전 세계 인구 중 약 3% 가량이 COPD를 앓고 있으며, 40세 이상 연령대에서 최초로 진단을 받고 있다. 세계보건기구(WHO)에 따르면, COPD는 지난 2016년 전 세계 사망 원인 3위를 기록했다. 감염성 질환이 지배적인 저소득 국가를 제외하고, 국가의 경제적 상태와 무관하게 보편적인 사망 원인 중 하나다.

COPD는 치료법이 없다. 또한 증상이 악화될수록 폐 이식이 필요하다. 그러나 장기 기증자의 사망 후 폐 기증이 이뤄지기 때문에, 아무 때나 장기 기증을 받을 수 있는 것이 아니다. 따라서 폐 이식 대기자의 20%는 폐 이식을 기다리다가 사망한다.

이식용 폐를 위한 3D 인쇄법

미국에 소재한 유나이티드 테라퓨틱스 코퍼레이션은 이식이 필요한 사람들에게 제약 없이 폐를 공급하려는 취지로 콜라겐으로 만든 3D 인쇄 폐를 개발했다. 그러나 유나이티드 테라퓨틱스는 전체적으로 완전한 인공 폐는 향후 12년 내에는 이용할 수 없을 것으로 추정한다.

유나이티드 테라퓨틱스 자회사인 렁 바이오엔지니어링은 임상시험을 진행하고 있다. 기증에 적합한 폐를 늘리기 위해 '체외폐 관류'라 부르는 기술을 사용해 이식 전 폐 기능을 개선한다.

기증된 폐는 필터가 달린 산소 호흡기 펌프에 부착된 소독 플라스틱 돔 내부에 장착된다. 이후 3~4시간 동안 폐를 체온으로 유지한 후 영양소와 단백질, 산소가 들어있는 무혈 용액을 처리한다. 이는 폐 손상을 회복시키고 과다한 폐액을 빨아내기 위해서다.

이렇게 관류하는 동안, 여러 가지 핵심 지표를 사용해 폐 상태를 끊임없이 평가한다. 폐가 품질 기준을 충족한다고 판단되면, 그 후 이식 대기 환자로 이식된다. 임상시험 과정을 통해 약 250명이 체외폐 관료 방법을 사용하지 않고 이식에 적절치 않다고 간주된 폐를 이식 받았다.

유나이티드 테라퓨틱스의 3D 인쇄 폐 생산 노력은 지난해 시작됐으며, 이를 위해 폐 맞춤형 3D 프린터를 만들 수 있는 3D 시스템 회사와 폐 내부 3D 지도를 제작하는 스캔 회사를 고용했다.

3D 프린터는 광조형법을 사용한다. 즉, 광민감성 분자를 투여한 가용성 콜라겐을 레이저를 통해 약화시킨 후, 콜라겐을 고체 상태로 만들어 3D 폐를 한 겹씩 쌓아 올렸다. 프린터의 현재 해상도는 20마이크로미터지만, 1마이크로미터 이하 세부사항이 필요할 것이다.

아울러 3D 시스템은 해상도를 높이기 위해 반도체 산업에서 사용되는 기법을 활용할 계획이다.

현재까지 3D 인쇄법을 사용해 혈관이 없는 살아있는 피부이식술은 실시했지만 기술적인 제약이 있었다.

이 문제점을 해결하기 위해, NASA는 최소 1센티미터 두께의 살아있는 조직을 인쇄할 수 있는 방법을 제시한 최초의 사람에게 30만 달러(3억4,000만원) 상금을 내걸었다. 유나이티드 테라퓨틱스의 향후 접근법은 줄기세포에서 유도한 세포를 사용해 콜라겐 세포지지체를 재세포화하는 것이지만, 여전히 여러 기술을 개발 중이다.

COPD의 최고 치료법은 조기 치료다. 현재로써는 금연이 최선의 COPD 예방법이며, 실내 공기를 적절하게 환기하는 것이 COPD를 피할 수 있는 방법이다.