생명 공학 및 제약 산업 분야 전문가들은 높은 압박감에 시달리고 있다. 약물 개발의 높은 감소율을 해결해야 한다는 임무 때문이다. 2006~2015년 동안 1차 임상 실험에 사용해도 된다는 승인을 받은 약물은 9.6%에 불과했다. 이처럼 약물 개발 성공률이 낮은 이유는 주로 동물 모델에서 생성된 임상 데이터가 인간에 적용되지 않기 때문이다. 그래서 동물 없이도 인간에게 맞는 약물을 개발하기 위한 대체 의학을 개발하려는 노력이 이어지고 있다.

생물 의학 연구 분야에서는 전통적으로 플라스크나 플라스틱 표면에서 2D 세포를 배양해 연구를 진행하는 데 의존해왔다. 이런 과정은 초기 연구 작업에 적합하며 비용이 저렴하고 확장성이 뛰어났다. 그러나 2D 배양된 세포의 유전자 발편 프로파일은 실제 장기나 질병 조직과 상당히 다르다. 이것은 약물 개발에 있어 또 다른 도전 과제가 된다. 즉 배양된 세포에서는 성공한 실험이 실제 임상 실험에서는 95% 실패하는 경우도 있다. 그런데 생물학 저널에 발표된 한 연구에 따르면 3D 시스템이 약물 개발 성공률을 높일 수 있다고 한다.

3D 인쇄로 간 장기 칩 제작

장기 칩(Organ-on-chip) 기술이란 인간의 세포가 놓인 마이크로 유체 채널을 포함한 폴리머로 구성된다. 이 칩은 세포가 체내에서 경험하는 미세 환경을 재구성해 인간의 생물학을 모델링한다. 예를 들어 이 칩은 건강한, 혹은 병든 폐, 간, 뇌, 신장, 장 등의 기관을 모델링할 수 있다.

3D 인쇄 또는 추가 제조 기술을 활용하면 워드 프로세서로 작성한 문서를 인쇄하는 것과 유사하게 사전 설계된 컴퓨터 디자인 템플릿으로 3D 구조를 만들 수 있다. 유전자 저널에 게재된 또 다른 연구에 따르면 세포를 포함한 바이오 잉크가 3D 간 장기 칩을 생산할 수 있다고 한다. 예전에 장기 칩을 개발하는 방법과 이런 새로운 장기 칩 개발 방법의 가장 중요한 차이점은 후자의 경우 세포가 제조 과정에서 칩 내에 통합된다는 점이다. 상업적 관점에서 보면 3D 프린터와 바이오 잉크가 장기 칩 제작에서 가장 중요한 구성 요소다. 인쇄된 장기 칩은 살아있는 유기체이며 곧바로 실험실 배양기에 놓여야 하기 때문이다. 이제 과학자들은 컴퓨터 설계 소프트웨어로 필요한 모든 장기 칩을 바로 3D 인쇄하는 등 유연한 생산이 가능하다.

연구진은 젤라틴이나 폴리에틸렌글리콜로 지원되는 바이오 잉크 두 개를 만들었다. 그리고 이 잉크를 동결 건조시켰다. 그런 다음 살아있는 장기 칩을 인쇄할 시점에서 세포를 바이오 잉크와 혼합했다.

간 장기 칩은 라이노캐드 5(CAD Rhinoceros 5)로 설계됐으며 세포 배양액 등의 액체가 칩에 주입되도록 만들어졌다. 그래서 이 칩은 실험실에서 장기간 생존 상태로 유지된다. 칩은 6각형 모양이며, 중앙 기공으로 이어지는 12개의 채널이 있다. 이 채널은 양면이 열려있고 분해성인 7% PEG로 인쇄된다. 세포 함유 구조를 만들려면 세포를 분산하고 젤라틴과 섞어 10x10^7 cells/ml의 주 바이오 잉크를 형성한다.

간 장기 칩의 생물학적 테스트

CAD 파일은 레이어 바이 레이어(layer-by-layer) 인쇄를 위해 셀브릭스 바이오 프린터로 전달된다. 인쇄 중에 CAD에 따라 바이오 잉크가 자동으로 변경된다. 인쇄 도중 14일 동안 생존력 테스트가 수행됐다. 장기 칩은 좋은 생존 능력을 유지했다. 연구진이 장기 칩의 대사를 분석한 결과 칩은 14일의 테스트가 끝날 때보다 인쇄 직후에 더욱 활발했다. 이것은 예상된 결과였다. 칩이 인쇄 직후에 사용 가능한 공간을 채운 다음 안정화되기 때문이다.

장기 칩의 목적은 2D 세포 배양보다 더욱 충실하게 장기를 표현하는 것이기 때문에 두 가지 방법으로 만들어진 간의 마커를 비교하는 실험도 중요했다. 연구진은 14일 동안 2D 구조와 3D 인쇄 장기 칩의 다양한 마커를 비교했고, 3D 인쇄 장기 칩이 2D 구조에 비해 효율적이었다고 말했다. 하지만 장기 칩의 마커 표현이 실제 간과 같은 수준이냐는 질문에는 아직 선뜻 답을 내리기가 어렵다. 쥐 모델을 대상으로 연구를 진행하면 이런 중요한 문제를 해결할 방법을 찾아낼 수 있을 것이다.

원리 증명

이 연구 결과는 복잡한 간 장기 칩 제작이 3D 인쇄로 성공했다는 것을 보여주기 때문에 매우 중요하다. 이것은 앞으로 약물 개발에 잠재적으로 응용될 수 있으며 다양한 연구 개발을 위한 토대를 마련한다.

[researchpaper 리서치페이퍼=심현영 기자]