조직 재생 과정 촉진하는 새로운 바이오프린터, 장기 이식의 해결사될까
수정일 2019년 12월 16일 월요일
등록일 2019년 12월 16일 월요일
장기 재생과 대체 연구에 도움이 될 수 있는 새로운 바이오프린터가 개발됐다(사진=셔터스톡)
 

장기 재생과 대체 연구에 도움이 될 수 있는 바이오프린터가 개발됐다. 

앨라배마대학 버밍햄캠퍼스(UAB) 생학 연구팀의 바이오프린터는 최초로 상업용 바이오프린터를 고안했던 일본 모델에서 영감 받아 설계됐다. 

이 바이오프린터는 한 번에 여러 개의 줄기세포 스페로이드를 처리, 조직 재생 과정을 더욱 가속화시킬 수 있다는 점이 큰 특징이다.

새로운 바이오프린터, 조직 재생 과정 가속화시켜

생물학적 조직을 만들 수 있는 상업용 바이오프린터는 일본에서 최초로 개발됐다. 인간다능성 줄기세포(hPSCs)가 들어있는 스페로이드를 사용해 조직을 제조할 수 있도록 했다. 

각각의 스페로이드는 수 십만 개의 세포를 갖고 있는데, 이들은 일정 기간이 지나면 조직으로 발전된다. 단 이 장치는 한 번에 한 개의 스페로이드만 처리할 수 있다는 점에서 속도가 더뎠다.

새 바이오프린터는 한 번에 최대 16개의 스페로이드를 처리할 수 있다(사진=셔터스톡)
 

새롭게 개발된 바이오프린터는 이전의 일본 모델보다 더욱 빠른 성능을 자랑한다는 점에서 매우 유의미하다. 한 번에 여러 개의 스페로이드를 처리함으로써, 필요한 조직 구성 요소를 생산하는데 필요한 시간을 줄일 수 있도록 한 것이다. 

아직은 프로토타입 단계지만, 연구팀에 따르면 이 장치는 한 번에 16개의 스페로이드를 처리, 45초의 사이클 스피드를 자랑한다.

UAB의 생명공학과장이자 연구 책임자인 지아니 장 박사는 "층별 스캐폴드(지지체)가 없는 이 바이오프린터는 운용에 효율적이고 정밀하며, 큰 조직을 인쇄하는데도 쉽게 확장이 가능하다"며, "더 크고 임상적으로 관련 있는 조직을 더 짧은 시간 내에 만들 수 있어 의학 및 임상 연구의 다양한 분야에 유익할 것"이라고 자평했다.

이외에도 이 기기는 일반적인 토스터 크기라는 점에서 보통 실험실에서 사용하는 세이프티 후드에 보관하기도 알맞다. 고압증기멸균기나 산화에틸렌으로 살균도 가능하다.

세포 처리에 필요한 모든 것들을 처리하는 3가지의 주요 구성 요소는 ▲스페로이드 배스 스테이지 ▲프린트 헤드 ▲니들-어레이 배스 등이다.

'스페로이드 배스 스테이지' 부품에는 밑면이 오목한 시계 접시가 있다. 여기서 줄기세포 스페로이드는 저장소에, 세포들은 오목한 곳 중앙에 놓이게 된다.

이후 세포를 운반할 때는 배스 스테이지가 이 프린트 헤드 아래의 특정 공간으로 이동한다. 그럼 '프린트 헤드'는 이 배스 스테이지의 저장소로 이동하는데, 진공 펌프를 통해 스페로이드들을 모두 잡아당기기 위해서다. 프린트 헤드에는 바늘 매트릭스 형태로 총 16개의 구멍 배열이 나 있어, 이때 스페로이드들은 각각의 구멍으로 잡아당겨 진다.

이처럼 구멍으로 스페로이드들이 모아지면, 헤드가 들리고 배스 스테이지도 원래 위치로 되돌아간다. 그리고 하강하는 헤드는 이 마지막 구성 요소와 만나게 되는데, 16개의 바늘로 구성돼있는 '니들어레이 배스'다. 진공 펌프가 풀리면서 스페로이드들을 천천히 이들 바늘로 밀어넣는 것이다.

이 같은 원리로 기기는 16개 핀의 4x4 매트릭스를 구성, 최대 16개의 스페로이드들을 동시에 처리할 수 있다. 

연구팀은 유리 구슬을 활용해 스페로이드의 픽업 효율성 테스트를, 그리고 알지네이트 비드를 사용해 배늘배열 배스로 정확히 전달되는지를 테스트했다. 이 두 가지가 모두 성공한 이후에는 줄기세포를 배열해 전체 과정을 시험했다. 그 결과, 바이오프린터는 한 층의 스페로이드 세포들을 모두 흡인해 니들어레이 배스로 옮기는데 성공한 것으로 나타났다.

조직 공학의 중요성

그동안 현대 의학은 다양한 질병을 치료할 수 있는 새로운 접근법들을 개발하면서 큰 진전을 이루고 있다. 그중 하나는 바로 이 같은 재생 의학에 필요한 조직 공학으로, 이번에 개발된 바이오프린터를 통한 장기 회복은 그런 의미에서 가치있다.

일부 질병들은 약이나 치료법으로도 치료되지 않아 장기 이식이 최종 해결책으로 고려되지만, 정작 이식에 사용될 수 있는 장기가 부족하기 때문이다. 

국립보건원 산하 국립생명공학연구소에 따르면 조직 공학은 특정 물질을 결합해 기능적인 생물학적 조직을 형성하는 분야다. 손상된 장기나 복수의 장기들을 유지하고 개선, 혹은 복원힐 수 있는 기능적 조직을 지속적으로 구축하는 것을 목표로 한다. 이에 이 분야가 주류로 발전할 수 있다면, 이식을 위한 장기 생산에 큰 도움이 될 수 있다.

한편, 재생 의학은 신체의 자연적인 치유 능력에 초점을 맞춘 분야다. 다만 이 자가 치유 능력은 조직 공학이나 그 능력을 강화시킬 수 있는 다른 기술과 통합되는 편이지만, 여전히 두 분야는 걸음마 단계에 있다.

전문가들은 조직 공학에서의 이같은 작은 역할에도 불구, 인공 조직을 만드는 재료가 더욱 저렴해질때 잠재력은 클 것으로 기대한다. 비용은 임상 시험에서의 응용을 추진하는데 있어 주요한 과제로, 일단 비용 문제만 해결된다면 맞춤화된 의약품이나 환자의 특성에 맞는 치료법의 주요 역할자가 될 수 있을 것이란 전망이다. 더 나아가 또 다른 의료 분야의 주요 주체가 될 수 있다.