새로운 얼굴과 간을 3D 프린팅으로 만들 날, 머지 않았다

지금으로부터 60년 후에는, 현재의 3D 프린팅 기술과 조직 장기 기술을 회고해보면 현재 구상하는 철로 만든 폐만큼 구식이라고 생각할 것이다.

60년 후에는 간이나 신장 이식은 환자의 세포를 일부 채취해 배양한 후에 인공 비계(Scaffolding)에서 프린팅하는 일반적인 시술 수준에 불과할 것이다.

WFIRM(Wake Forest Institute for Regenerative Medicine)의 책임자 안토니 아탈라 박사는 인사이드 3D 프린팅 컨퍼런스(Inside 3D Printing Conference)에서 오늘날의 기술이 어느 정도 수준이며 아직 어떤 장애물들을 극복해야 하는지에 대해 이야기했다.

가장 큰 장애물은 지원 혈관 구조를 3D 프린팅해 조직이 환자에 이식되었을 때 생존에 필요한 산소를 공급받을 수 있도록 하는 것이다.

현재 과학자들은 소량의 평평한 인체 피부 조직을 복제할 수 있다. 과학자들은 튜브형 혈관뿐만 아니라 방광 등 인체의 속이 비어있는 장기의 일부를 만들 수 있다. 하지만 간과 신장처럼 더욱 복잡하고 훨씬 많은 혈관을 필요로 하는 단단한 장기를 만들기는 더욱 어렵다.
아탈라는 "우리는 언젠가 목표를 이룰 수 있도록 최선을 다하고 있다"고 말했다.

생각하는 것처럼 절대로 불가능한 목표는 아니다. 우선, 과학자들은 장기 전체를 복제할 필요가 없다. 사실, 장기의 90% 정도는 환자의 건강에 심각한 영향을 끼치기 전에 망가질 수 있다고.

아탈라는 "주말에 테니스를 치다가 가슴 통증을 느끼는 상황을 생각해 보자. 병원에서 X선 촬영을 하면 심장 혈관의 90%가 막혀 있는 것을 볼 수 있다. 사실 심장 혈관의 80%가 막혀있을 때까지는 통증을 느끼지 못한다"고 말했다. "신장도 마찬가지다. 신장의 90%가 망가질 때까지는 신부전이 발생하지 않는다. 따라서 90%가 망가진 뒤에 문제가 발생한다."

아탈라는 "현대 생명 공학자들의 전략은 완전한 대체보다는 망가진 장기를 회복하기에 충분한 조직을 만들어내는 것"이라고 설명했다.

일반적으로 조직과 이를 지원하는 혈관 구조 사이의 최대 거리는 3mm이다. 즉, 조직의 3mm 간격으로 의사가 모세혈관을 구성해야 한다는 뜻이다.

현재 3D 생체 프린팅은 건물의 철골 구조처럼 인공 비계로 지탱하는 일련의 조직을 구성한다. 우선, 한 층의 비계를 놓고 그 위에 한 층의 세포를 올려놓는다.

과거, 과학자는 비계를 따로 만든 후에 살아있는 세포로 덮어야 했다. 이 작업은 단지 시간이 더 오래 걸릴뿐만 아니라 살아있는 세포가 이식 전에 죽을 위험에 처하게 된다.

3D 프린팅은 비계와 살아있는 조직을 함께 프린팅할 수 있다.
정맥과 모세혈관을 구성하기 위해 우선 용해가 가능한 재료로 만들어진 튜브형 구조를 프린팅한 후에 튜브의 외부를 근육 세포로 덮고 내부는 다양한 장벽 세포로 덮는다. 심장 판막도 같은 방식으로 만들 수 있으며, 우선 용해 가능한 비계를 만들고 외부의 근육 세포와 내부의 장벽 세포를 덮는다.

WF의 과학자들은 심지어 심장 세포를 올리는데 성공했으며, 완성된 조직이 맥동을 시작했다.
아탈라는 "현재 우리가 인쇄하는 간 구조는 30일 동안 지속된다. 간 구조는 요소와 알부민을 분비하고 줄기 층을 생성한다. 우리는 신장의 배아 발달을 재현하고 있다"고 말했으며, 조직 생성의 확대가 현재 안고 있는 과제라고 덧붙였다.

얼굴과 두개골의 3D 프린팅
실제 조직의 인쇄가 언젠가 신체의 일부를 교체할 수 있는 핵심이지만, 3D 프린팅된 골격 또한 촉망되는 분야다. 현재에는 3D 프린팅을 이용해 구조적 받침대를 만들고 있다.

예를 들어, 환자가 사고를 당해 두개골의 일부를 잃었다면 의사는 CT 스캔을 통해 환자의 정확한 두개골 3D 가상 이미지를 생성하고 이를 이용해 두개골의 경질 고분자 부분을 프린팅할 수 있다. 하지만 3D 프린터는 아직 실제 골격 프린팅에 성공하지 못했다.

존스홉킨스 대학교(Johns Hopkins University)의 안면 이식 프로그램(Facial Transplantation Program) 공동 책임자 아미르 도라프샤르 박사는 "3D 프린터는 기껏해야 발전된 안면 두개골 재건을 향한 발전 단계일 뿐"이라고 말했다.

하지만 3D 프린팅은 외과 수술을 비약적으로 발전시켜왔다. 10년 전만 하더라도 안면 두개골 수술은 수술실에서 박살나거나 변형된 두개골을 본래의 위치로 되돌려 놓는 퍼즐을 푸는데 수 시간을 소요하는 작업이었다.

3D 이미지를 활용해 외과의사는 수술실에 들어가기 전에 컴퓨터 화면에서 수술을 실시할 수 있어, 일단 메스를 잡았을 때 정확한 모델을 따라 수술을 진행할 수 있다.

아미르는 환자의 머리 또는 얼굴 부분에 정확한 수술 가이드(Guide)를 생성할 수 있는 기능으로 안면 두개골 수술을 발전시키고 있다고 말했다. 플라스틱 가이드를 통해 집도의는 시술의 두려움 없이 절개를 할 수 있다.

도라프샤르는 "여전히 가장 좋은 방법은 환자의 신체의 다른 부분에서 조직과 뼈를 가져다가 이식하는 것"이라고 말했다.

혁신을 통해 살아있는 뼈에 영양과 산소를 공급하는 혈관 구조가 포함된 생리 활성 골격 비계를 프린팅할 수 있게 될 것이다. 도라프샤르는 "혈관이 있는 뼈를 만들 수 있는 날이 올 것"이라고 예상했다.

아탈라는 "사람들은 언젠가 이런 기술을 회상하면서 '예전에는 그랬지'라고 말하는 날이 분명 올 것"이라고 말했다. editor@itworld.co.kr