2005년 개봉한 영화 <아일랜드>는 복제된 인간 '클론(clone)'에게 출산을 맡기고 장기를 떼어 이식하는 등의 충격적인 설정으로 인해 당시 많은 화젯거리였다. 수명 연장과 편리함을 위해 한 번쯤 가능할 법한 이야기지만 윤리적 문제가 상당히 커서 반발도 심할 것이다.

그럼 윤리적 문제 없이 장기를 이식하고 수명 연장을 할 방법이 없을까? 이런 생각에서부터 출발한 것이 바로 3D 프린터(3D printer)의 의료계 도입이다. 원하는 모양으로 제작해주는 기계로 체내에 이식 가능한 것을 제작하여 이식하겠다는 아이디어다. 제작 과정에 인간의 복제나 동물의 죽음이 없기 때문에 윤리적 논란도 없어 미래 의료 산업에 없어선 안 될 기술이다.

3D 프린터(printer) 기술을 바이오산업에 도입한 것을 바이오 프린팅(bio-printing)이라 부른다. 이 기술은 정보통신 기술(IT, Information Technology)과 생명공학 기술(BT, Biotechnology)의 융합기술로 특히, 조직공학 분야에서의 3D 바이오 프린팅은 형태 및 기능적으로 결함이 있는 조직을 생체 적합 물질에 의해 회복∙대체∙재생하는 것을 목적으로 연구되고 있다.

초기 큰 기대에 힘입어 빠르게 발전하여 다양한 분야에 두각을 나타내었다. 제일 먼저 두각을 보인 곳은 뼈 부분이었다. 인공 두개골 같은 경우 월평균 전국에서 100건이 넘는 수술이 시행된다고 한다. 기존에 자연적 치유에 의존하였다면 이제는 인공 뼈로 원래의 모양을 빠르게 회복할 수 있게 된 것이다.

이외에도 연골 같은 분야에서도 이식이 활발하게 이루어지고 있다. 현재 이식하지 못하는 장기 분야에선 MRI나 CT로 촬영한 환자의 장기를 3D 프린팅으로 제작하여 의사가 수술 전에 환자의 상태를 보다 정확하게 확인하여 수술의 안정성을 높였다. 

3D 바이오 프린팅의 원리가 무엇일까?

3D 바이오프린팅은 3D 프린팅 기술을 기반으로 세포와 생체재료를 이용해 원하는 삼차원 구조의 조직과 기관을 만드는 것이다. 바이오 프린팅은 첫 번째로 만드는 물체의 디자인을 하는 모델링 과정으로 시작한다. 복잡한 구조를 가진 장기들을 재현하기 위해 계산된 패턴으로 디자인해야 한다.

사용자가 컴퓨터에 프린팅을 요청하게 되면 장기의 틀이 되는 하이드로젤(hydrogel)이라는 물질과 세포를 함께 지닌 바이오 잉크(bio-ink)가 프린트된다. 이때 쓰이는 하이드로젤이 세포가 자랄 수 있도록 형태를 잡아주고 보호해준다.

동시에 하이드로젤은 적당한 속도로 분해되어 계속해서 성장할 수 있는 공간을 제공해준다. 이러한 원리를 통해 원하는 모양을 만들고 적절한 소재를 이용하여 세포가 자랄 수 있는 입체적 공간을 마련하면 인공 장기를 생산할 수 있게 된다.

위에서 말했듯이 3D 프린팅이 의료계에 도입된 지 10년이 넘어가고 있어서 다양한 분야에서 활용되고 있는데, 그중 가장 활발하게 이용되는 분야는 인공 뼈 분야이다. 이번 미국 드라마 굿닥터(The good doctor) 6화에서도 골절된 대퇴부의 뼈를 티타늄으로 제작하여 이식하는 장면이 나오면서 많은 사람들이 관심을 갖게 되었다. 대퇴부 말고도 두개골이 골절된 환자의 경우 자연 치유하여 원래의 두개골 모양으로 돌아가기 힘들다. 이럴 경우 머리가 함몰되면서 공간 확보가 어려워 뇌에 후유증을 남길 수도 있다.

이럴 때 인공 뼈를 제작하여 이식하면 빠르게 치료할 수 있으며 원래의 두상 모양으로 복구할 수 있다. 대표적으로 영국의 모델 프란체스카의 사례가 있다. 프란체스카는 계단에서 급성 발작으로 추락하여 오른쪽 두개골이 다섯 조각 났다.

프란체스카는 조각 난 두개골을 제거하는 수술을 받고 오른쪽 머리가 함몰된 상태가 되었다. 이때 에덴브룩 병원 의료진은 3D 프린터로 티타늄 재질의 두개골을 만들었고 이를 수술을 통해 삽입하였다. 수술과 치료를 끝낸 프란체스카는 예전의 외모를 되찾을 수 있었다. 3D프린터는 이 외에도 얼굴이 사라진 환자를 위해 얼굴 재건 수술, 피부 이식 수술 등 성형 외과적 치료에서도 뛰어난 활약을 보이고 있다.

바이오프린팅이 만들어낸 난소에서 생명체가 태어날 수 있을까? 

올해 미국 노스웨스턴대학교의 테레사 우드러프와 매코믹 공과대학의 라밀 샤 교수가 쥐의 인공 난소를 제작하였다. 이 인공 난소를 이식받은 암컷 쥐는 정상적인 수컷 쥐와 교배하여 여러 마리의 새끼를 출산했다.

인공 난소는 젤라틴을 하이드로젤로 이용하여 지지체를 만든 후 미성숙 난자 세포를 지지체 속에서 분화, 배양하여 제작되었다. 난소와 같은 특수 기관의 제작이 이루어진 것은 처음으로 조직공학의 발전 가능성을 더욱 높여주었다.

우드러프 교수는 지난 5월 CNN과 한 인터뷰에서 "이번 연구는 3D 프린터로 장기를 생산할 수 있음을 다시 한번 보여줬다"며 "불임으로 고통받는 여성들에게 희망을 줄 수 있도록 결과를 발전시킬 것"이라고 전했다.

라밀 샤 교수는 "이 기술을 인간에게 적용할 수 있기까지 얼마나 걸릴지 장담하기는 어렵지만 5년 내에는 가능할 것이다"라며 궁극적인 목적은 암 치료를 위해 난소를 제거한 여성들에게 인공 난소를 이식하는 것이라고 말했다. 이는 불임 치료에도 재생의학이 가능하다는 희소식이 되었다.

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▲ 미국 노스웨스턴대학교 파인버그 의대 여성건강연구소의 테레사 우드러프와 매코믹공과대학의 소재 A)인공난소의 지지체 모습/B,C) 주사 전자 현미경 사진 (A, B, C 층으로 식별 됨). 난포 세포가 3개 층 아래에 끼어 있고 2 일 동안 배양되었다. 화살표에 난포 세포 ;스케일 바 : (B)100㎛, (C) 10㎛/ D,E)인공 난소를 이식받은 난자와 정상 수컷과 교배하여 태어난 새끼들
ⓒ Teresa K. Woodruff& Ramil	관련사진보기

3D 바이오프린팅은 조직공학, 재생의약, 그리고 제약 분야에서 활용될 수 있는 미래의 핵심 기술이다. 4차산업혁명으로 빅데이터, 인공지능과 만날 경우 더 큰 발전을 할 것으로 기대되는 유망기술이다. 물론 아직 모든 장기를 재현하지도 못하고 재현하더라고 본래의 장기에 비교해 턱없이 부족한 부분이 많다. 또한, 임상실험에 대한 자료가 부족하여 신뢰성 또한 떨어진다. 그러나 환자 개인에 맞는 치료가 가능하다는 점과 현재 장기이식 대기자가 넘치고 있는 상황에서 근본적인 해결법이 제시되지 않는 지금 그 어떤 방법보다 확실한 해결법이 될 가능성이 적지 않다.