연구성과
국내 연구진, 3D프린터로 인공장기 찍는 시대 “앞당긴다”
조동우 교수팀, 인공 장기 제작 위한 바이오잉크 개발 성공
‘인쇄’ 버튼을 누르면 신발이나 장난감을 뚝딱하고 만들어내 새로운 사업을 창출해낼 것으로 기대를 모으고 있는 3D 프린터. 이 프린터를 이용해 인체의 장기(臟器)를 만들어 낼 수 있는 시대가 가까워지고 있다.
POSTECH 기계공학과 조동우 교수 연구팀의 박사 후 연구원 Falguni Pati, 융합생명공학부 박사과정 장진아 씨, 가톨릭의대 성형외과 이종원 교수, 이비인후과 김성원 교수, 한국산업기술대 기계공학과 심진형 박사, 미국 워싱턴 대학 김덕호 교수 공동 연구팀은 실제 조직과 동일한 성분으로 이루어진 탈세포화된 조직*1을 이용, 인공 조직을 만들 수 있는 3D 세포 프린팅용 바이오 잉크를 개발하는 데 성공했다.
다학제간 연구분야 국제학술지 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)지 2일자 온라인 판에 게재된 이 연구는 간단한 세포 조직 뿐만 아니라 장기 제작까지 가능하게 할 것으로 기대된다.
3D 세포 프린팅 기술은 살아있는 세포와 생체적합성 재료를 이용해 실제 조직과 유사한 외형과 구조를 가진 기능성 인공조직을 제작하는 기술로, 인공조직을 만들기 위해서는 3D 프린터로 분사할 수 있는 바이오 잉크*2와 형태를 유지할 수 있도록 하는 생체 적합성 고분자가 필요하다.
기존에는 콜라겐이나 체외유래 재료로 만들어진 하이드로젤을 바이오잉크로 사용했지만, 이 재료는 실제 조직이 가진 복잡하고 다양한 세포외 기질*3을 모사하는데 한계가 있었다.
연구팀은 탈세포화 된 조직으로 바이오 잉크를 만들고, 여기에 재생하고자 하는 조직에 맞는 중간엽 줄기세포*4를 넣어 3D 세포 프린팅 기술로 인공 조직을 만들었다. 이는 기존의 콜라겐을 이용하여 제작한 인공 조직에 비해 세포분화가 활발하게 이루어지는 것으로 확인됐다.
이번 연구결과는 3D 세포프린팅 기술로 단순히 조직의 외형을 모사하는 기존 연구를 넘어 장기가 손상되어 재생이 필요한 조직에 최적화된 환경을 제공, 만들고자 하는 목적 조직(target tissue)으로 분화할 수 있도록 하는데 핵심 요소가 될 것으로 예상되고 있다.
연구를 주도한 조동우 교수는 “이 연구를 바탕으로 각 조직에 적합한 바이오잉크를 개발하면,간단한 기능을 하는 조직뿐만 아니라 실제 장기도 제작할 수 있을 것”이라며 “향후에는 이를 임상에 적용해 손상된 장기를 재생하는데 활용할 수 있을 것”으로 내다봤다.
한편, 이 연구는 미래창조과학부 한국연구재단이 추진하는 리더연구자지원사업(창의적연구)의 지원으로 수행 됐다.
1. 탈세포화된 조직
실제 조직이나 장기에 여러 가지 화학물질로 처리해 세포만 제거한 조직으로 대부분의 세포외 기질과 고유한 구성비를 그대로 유지, 조직 재생을 위한 생체적합성 재료로 각광받고 있다.
2. 바이오잉크
3D 세포 프린팅 기술을 이용, 인공 조직을 제작할 때 세포를 넣어 분사하는 재료로 분사가 가능한 점도, 형태를 유지할 수 있는 기계적 강도를 지녀야 하며, 물론 생체 적합성을 가지고 있어야 한다. 콜라겐, 알지네이트 등의 하이드로젤이 주로 사용된다.
3. 세포외 기질
조직 내 또는 세포외의 공간을 채우고 있는 생체고분자의 복잡한 집합체.
4. 중간엽 줄기세포
성체에서 분리한 다능성 세포로 골수, 지방, 하비갑개 등에서 추출되며 분화가 안정적으로 이루어져 암세포로 변이를 일으킬 가능성이 없고 이미 임상 적용이 가능한 단계까지 와 있다.
그림 1.탈세포화 된 조직을 사용하여 3차원 세포 프린팅 된 인공 조직의 제작 과정 및 이의 다양한 분야로의 적용
탈세포화 된 조직을 사용한 3차원 세포 프린팅의 전 과정을 소개한다. 세포와 바이오잉크를 섞어 고분자 틀 사이사이에 분사하는 과정을 반복하여 3차원의 형상을 제작할 수 있다. 제작 된 인공 조직은 조직 재생, 약물 검출용 디바이스 및 체외 질병 모델로 사용이 가능할 것으로 예측된다.
그림 2.탈세포화 된 조직으로 이루어진 바이오잉크를 사용하여 프린팅 된 다양한 인공 조직
그림 2는 탈세포화 된 조직으로 이루어진 바이오잉크를 사용하여 제작 된 다양한 인공 조직을 보여준다. 피부나 심근조직 등의 유연한 조직의 재생을 위해 하이드로젤과 세포로만 이루어진 인공 조직을 구현할 수 있고, 골, 연골 및 큰 부피를 지니는 지방 조직 등의 재생을 위해 3차원의 형상을 효과적으로 유지할 수 있는 3차원 고분자 프레임을 포함한 인공 조직을 제작할 수 있다.
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