혹시 영화 <해리포터> 시리즈를 좋아하시나요? 저는 <해리포터> 시리즈의 광팬으로서 8편의 영화를 모두 보았답니다. 여러분이 가장 재미있게 본 장면은 무엇인가요? 제가 개인적으로 무척 재미있게 본 장면은 4편 ‘불의 잔’에서 해리와 디고리가 함정에 빠져 그만 볼드모트 경의 아버지의 무덤으로 가는 장면입니다. 여기서 웜테일은 볼드모트 경을 부활시키고, 볼드모트는 마법을 부려 자신의 충실한 부하 웜테일의 잘려나간 한쪽 손을 새로 만들어 줍니다. 과연 없어진 팔을 다시 만드는 것이 마법사들만이 할 수 있는 일일까요? 이 글에서는 바이오프린팅 기술을 기반으로 한 인공장기의 생산에 대해 이야기해 보도록 하겠습니다.
장기이식의 현주소, 그리고 수요와 공급의 법칙
이식 가능한 장기로 알려진 것들은 8가지가 있습니다. 각막, 신장, 뼈, 피부, 간, 폐, 이자, 그리고 심장이 그것들인데요, 하지만 ‘이식 가능’하다고 해서 언제든지 가능한 것은 아닙니다. 예컨대, 심장은 기증자가 사망하고 난 뒤, 몸에서 꺼낸 후, 심장이 뛸 동안 재빨리 이식받는 사람의 몸속으로 넣어야 합니다.
문제는 그뿐만이 아닙니다. 위는 1988년부터 2012년까지 미국의 이식 가능한 장기의 대기자 수와 실제 이식의 횟수를 나타낸 그림입니다. 이식이 필요한 사람의 수보다 실제로 장기이식이 일어나는 수가 훨씬 적어 대기자 명단의 사람들 수는 점점 증가하는 추세이며, 매년 수천~수만 명의 환자가 이식을 기다리다 사망하는 안타까운 현실을 보여주고 있습니다. 장기를 기증하려는 사람의 절대적인 숫자도 매우 제한적일뿐더러, 한 사람의 몸에서 다른 사람의 몸으로 들어가는 과정에서 발생하는 면역반응을 최소화하는 조합을 찾는 것이 워낙 어려운 일이기에 장기이식 수치가 이토록 낮은 것이라고 분석할 수 있습니다.
경제학에서는 공급이 수요를 충족시키지 못한다면 암시장이 형성된다는 이론이 있는데요, 장기의 경우에도 마찬가지입니다. 위는 암시장에서 거래되고 있는 장기의 시세(?)를 보여주는 그림인데요, 한국에서는 ‘장기 등 이식에 관한 법률 제7조’에 따라 금전 또는 재산상의 이익을 주고받으며 행해지는 장기매매 행위를 불법으로 규정하고 있습니다. 비밀리에 시행되는 장기매매 역시 비위생적인 환경에서 전문적이지 못한 시술로 매우 위험하다고 할 수 있습니다.
바이오프린팅과 인공장기의 생산
앞에서 살펴본 문제점들이 기존의 장기이식에서 발생함에 따라, 장기의 수요를 충족할 새로운 대안들이 개발되고 있고, 그중 하나가 바로 인공장기의 생산입니다. 인공장기의 핵심 기술은 바이오잉크에 있다고 볼 수 있습니다. 바이오잉크는 세포들과 바이오폴리머 젤의 혼합물 형태인데, 바이오폴리머 젤은 콜라겐, 젤라틴, 히알루론 등의 혼합물로, 세포가 자랄 수 있는 지지대 역할을 하며 생존할 수 있는 영양분을 공급해줍니다. 그리고 이 모든 성분들은 각 환자별로 맞춤 제작됩니다.
인공장기의 생산은 크게 5가지 단계로 나눌 수 있습니다. 3D imaging, 3D modeling, 바이오잉크 제작, 장기 인쇄, 그리고 고체화의 다섯 단계인데요, 먼저 3D imaging 단계에서는 MRI, CT등의 장비를 통해 제작하고자 하는 기관을 imaging 합니다. 그 다음, 3차원 CAD(computer aided design) 모델을 제작하여 이 기관의 설계도를 만들어냅니다. 다음 단계는 인공장기 생산에 있어 핵심적인 단계라고 말할 수 있는 인쇄 부분인데요, 크게 3가지의 인쇄 메커니즘 extrusion-based, inkjet-based, laser-assisted bioprinting이 있습니다.
이때 인쇄 과정에서 흥미로운 점은 이 바이오잉크를 공기 중에 쏘는 것이 아니라 얇은 고체층인 biopaper gel이란 부분에 쏜다는 것입니다. 한 층의 인쇄가 끝나면 그 위에 새로운 층의 biopaper gel을 쌓고 그 속에 bioink를 주입함으로써 인쇄하는 원리입니다. 이러한 방법을 사용하는 이유는 bioink라는 물질 자체가 고체보다 액체에 가깝기 때문에 기관의 형태를 유지하지 못하고 흘러내려버리기 때문입니다. 시간이 지나면 bioink 방울들이 하나로 합쳐지고, biopaper은 녹아 없어지면서 결국, 완성된 형태의 기관이 만들어지게 됩니다.
인공장기의 이식은 실제로 2011년 스위스의 의료진에 의해 세계 최초로 이루어진 바가 있습니다. 2011년 7월 7일자 BBC 기사에 따르면, 36세의 암 환자의 기관(windpipe)을 영국의 과학자들이 인공적으로 만들어 스위스의 의료진에 의해 성공적으로 이식되었고 환자는 건강히 회복 중이라고 합니다.
그렇다면, 결론적으로 인공장기가 각광받는 이유는 무엇이고 앞으로의 전망은 어떠할까요? 기본적으로 인공장기는 환자 본인의 세포들로 만들어내므로 환자와 기증자를 연결하는 복잡한 과정이 생략될 뿐만 아니라 기증받는 환자의 몸에서 일어날 무시무시한 면역반응의 문제 또한 신경 쓸 필요가 없습니다. 더 나아가, 특정 약물 혹은 상품이 인간에게 어떠한 영향을 미칠 수 있는지에 대한 판단의 척도로 사용되는 동물실험을 대체할 수 있습니다. 이상적으로 인공장기는 이러한 장점들이 많지만, 현실은 아직 갈 길이 멀기만 합니다. 하지만, 인류는 늘 그래왔듯이 끊임없는 도전과 실패를 바탕으로 이 문제를 해결해 나갈 것이라고 저는 생각합니다.
참고자료
[1] http://www.donorsmatter.pitt.edu/about
[2] https://all3dp.com/2/what-is-3d-bioprinting-simply-explained
[3] https://www.bbc.co.uk
[4] https://www.sigmaaldrich.com
[5] https://blog.cirm.ca.gov
[6] https://en.wikipedia.org/wiki/3D_bioprinting
첨부 이미지 출처
[1] http://www.donorsmatter.pitt.edu/about
[2] https://all3dp.com/2/what-is-3d-bioprinting-simply-explained
[3] https://www.bbc.co.uk
[4] https://www.bioedge.org
[5] https://www.sigmaaldrich.com
[6] https://blog.cirm.ca.gov
KOSMOS BIOLOGY 지식더하기
작성자 | 박준혁
발행호 | 2020년 봄호
