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| ▲ 세계미래보고서2055 저자 박영숙 |
인간의 신장 제조에 한걸음 더 가까이 다가간 바이오프린팅 기술
지난 몇 년 동안 바이오프린팅 분야는 인간의 피부, 합성 골격, 완전히 제 기능을 할 수 있는 쥐의 갑상선 등 헤드라인을 장식할 수 있는 많은 획기적인 발전을 이루었다. 3D 프린팅 기술은 인간의 조직 구조를 재현할 수 있는 프린터 고유의 기능 덕분에 바이오프린팅의 길을 열었다. 3D 프린터 소프트웨어를 이용하여 디지털 모델의 지시에 따라 정확한 패턴으로 세포를 '쌓을' 수 있으며 몇 시간 만에 조직을 만들 수 있고 수많은 동일한 샘플을 만들 수 있다. 바이오프린팅 기술의 발전에도 불구하고, 복잡한 인간의 기관들은 과학자들을 계속해서 괴롭히고 있으며, '더욱 복잡한 기관' 리스트의 맨 윗부분에 있는 것은 신장이다.
신장에 대한 기초사항
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신장은 콩 모양을 하고 있고 주먹 크기이며, 척추 양쪽 갈비뼈 아래에 위치하며 일상생활에서 중요한 역할을 한다. 각각의 신장은 혈액세포와 및 단백질과 같은 중요한 분자를 차단하는 네프론 (nephron)이라고 불리는 생물학적 필터를 통해 유체 및 폐기물을 통과시켜 혈액을 정화한다. 필요한 미네랄은 혈액으로 다시 전달되고, 폐기물질만 소변으로 몸 밖으로 배출한다. 신장은 혈액 조성을 안정적으로 유지하고 우리의 신체가 제대로 기능을 유지하도록 매일 114-142리터의 혈액을 걸러낸다. 신장은 몸에 폐기물질이 축적되는 것을 방지하고, 전해질 수준을 안정화시키고, 혈압을 조절하고 적혈구를 만드는 호르몬을 생성한다.
모든 사람이 정상적인 신장을 가진 것은 아니다.
전 세계 인구의 약 10% 정도는 만성 신장 질환을 겪고 있으며, 적절한 치료가 이루어지지 않아 매년 수백만 명이 신장 질환으로 사망한다. 미국에서 만성 신장 질환 관련 치료비용은 연간 약 480억 달러에 달한다. 대상 인구의 1% 미만을 돌보기 위해 메디케어 예산 전체의 약 7%를 소비하는 것이다. 미국의 신장 이식 대기자 명단은 현재 93,000명이 넘으며 대기 기간은 10년에 이르고 있다. 기증되는 신장이 없으면 혈액 투석을 받을 수 있는 능력이 되는 환자는 혈액 투석기를 통해 혈액이 체내를 빠져 나가 정화되고 다시 정맥으로 다시 들어갈 때까지 3~10 시간 동안 앉아 있어야 한다. 높은 비용과 시간이 걸리는 투석은 신장과 같이 혈액을 정화하는 일을 여전히 잘 수행하지는 못한다.
더 나은 해결방법이 가까이 있다.
신장은 만들기에 가장 어려운 기관은 아니더라도 가장 어려운 기관 중의 하나이다. 이는 각각의 신장이 가지고 있는 엄청난 수의 네프론과 네프론의 복잡한 구조 때문이다. 그러나 하버드 대학교 제니퍼 루이스 연구소(Harvard’s Jennifer Lewis Lab)의 연구원들은 최근 생물학적 기증 신장을 대체할 수 있는 인공 신장을 만들기 위한 첫 걸음을 내디뎠다. 루이스와 동료과학자들은 3D 프린팅 기술을 사용하여 신장 네프론의 세뇨관 구성 요소를 재생성하여 혈류 네트워크를 만들었다. 첫 번째 단계는 실온에서 젤 층으로 만든 3D 조직 격자를 인쇄하는 것이었다. 하나의 젤에는 인간 줄기 세포를 포함하고 다른 하나는 냉각되면 액체가 된다. 조직이 세팅되고 냉각되면, 두 번째 젤이 그리드에서 흘러 나와 혈관이 성장할 수 있는 통로가 된다. 웨이크 포레스트 대학교(Wake Forest University)의 연구진들이 개발한 또 다른 방법은 조직 구조에 마이크로 채널을 남겨두기 위해 프린팅 소프트웨어를 프로그래밍하는 것이었다. 이 물질은 세포 외 매트릭스에 둘러싸여 있으며, 성장 인자가 추가되어 줄기 세포가 특정 세포 유형으로 분화하게 된다. 3D 프린트된 세뇨관은 2개월 이상 생존했다.
꾸준한 진보
작년에 로렌스 리버모어 국립 연구소 (Lawrence Livermore National Laboratory)의 과학자들은 바이오프린팅된 조직 내에서 혈관 네트워크를 자체 조립할 수 있는 방법을 개발했다. 이 방법이 개발되기 전까지는 바이오프린팅 기관이 가진 가장 큰 결함은 혈관 네트워크였다. 루이스 연구소에서 생성에 성공한 신장 조직은 세뇨관의 복잡성과 생물학 네프론으로서 부분적으로 기능할 수 있다는 사실이 매우 중요하다. 바이오프린팅 기술은 완전히 제 기능을 다하는 기관을 만들 수 있는 방법이며, 이 기술에는 다른 유용한 적용점이 있다. 바이오프린트된 네프론 세뇨관은 약물 독성 테스트에 사용될 수 있으며 생물학적 신장의 특정 화학 물질을 걸러내는 능력을 결정하는 데 도움이 되며, 기존 투석 방법과 결합하여 우리 몸과 유사한 투석 절차를 만들 수도 있다.
바이오프린팅의 개별적인 발전은 작은 것이지만, 현재 진행 중인 페이스대로 계속된다면 앞으로 인쇄된 기관이 기증자 목록의 부담을 덜기 시작할 수 있을 것이다.
Bioprinting has been all over the news in the past several years with headline-worthy breakthroughs like printed human skin, synthetic bones, and even a fully functional mouse thyroid gland.
3D printing paved the way for bioprinting thanks to the printers’ unique ability to recreate human tissue structures; their software can be written to ‘stack’ cells in precise patterns as directed by a digital model, and they can produce tissue in just hours and make numerous identical samples.