대체 기관의 배양, 특히 신장, 심장, 폐와 같은 실질 기관의 배양은 특별히 어려운 목표이다. 이러한 기관들이 대량 제작되기 위해 극복해야할 기술적 도전과제들이 너무나 많다. 그리고 이러한 장애물 너머에 과학적 발견을 임상 치료로 신속하게 전환할 수 있는 보장이 없다. 규제 기관들은 새로 배양된 기관들이 환자에게 위험이 적고 신뢰할 수 있는 것인지에 대한 증거들을 애써 찾고 있다. 하지만 도전할 만한 기치가 충분히 있는 분야이다.

미래의 예

당신은 잠에서 깨어났는데 몸이 피곤하고 편치 않다. 지난 며칠 동안 복통과 종창을 겪었다. 의료 기관을 찾아가자 인공지능 로봇 의사는 당신의 간에 병이 생겼다고 진단했다. 치료하지 않으면 계속 아프고 결국 죽게 된다고 한다. 당신은 간 이식이 필요하다. 하지만 뜻밖에도 장기 이식 대기 명단에 이름을 올리지 않아도 된다. 한때는 장기 이식 수요가 공급을 훨씬 앞질러 장기 이식을 기다리던 환자들이 매일 22명 씩 사망했다. 이제 대기자 명단은 과거의 일이 되었다. 이제 당신의 몸에서 모든 세포로 분화할 수 있는 힘을 가진 줄기세포를 채취한다. 세포들은 연구소로 보내져 인간의 간을 구성하는 다양한 유형의 세포가 된다. 바이오프린터는 이러한 세포들을 이용하여 적층방식으로 새로운 간을 만들어낸다. 이렇게 만들어진 간은 신체를 모방한 인큐베이터에서 이식 준비가 될 때까지 발달시킨다.

최종 결과는? 당신은 완전히 제 기능을 발휘하는 건강한 간을 받게 된다. 새로운 대체 기관은 건강한 간이 수행해야 하는 모든 필요한 시스템을 갖추고 있다. 그리고 중요한 사실은 이 세포들이 원래 당신 것이기 때문에 면역 시스템이 이를 거부하지 않는다. 이러한 결과를 달성하는 것은 실로 주목할 만한 일이다. 의학의 발달과 장기 기증에 대한 인식이 높아지고 있지만 장기공급과 수요의 격차는 날로 커져가고 있다. 장기를 프린트하는 일은 결코 쉬운 일은 아니지만 이를 낙관하는 것에는 다음과 같인 이유가 있다.

- 재생의학은 새로운 분야는 아니다. 웨이크포레스트연구소(Wake Forest Institute)에서는 10년 전에 공학적으로 만들어진 방광 조직을 사람에게 성공적으로 이식한 바 있다.

- 비용도 내려가고 있다. 미국 바이오테크 스타트업 바이오봇츠(BioBots)는 2015년에 10,000달러짜리 바이오프린터인 바이오봇츠 1(BioBots 1)을 출시하여 연구진들은 새로운 조직을 만드는 기술을 저렴하게 실험할 수 있게 되었다.

- 전신에 대한 연구가 이루어지고 있다. 웨이크포레스트연구소는 인체의 35개 부분에 대해 연구하고 있다.

- 3D 프린트된 조직과 기관들이 연구소 내에서 성공의 조짐을 보이고 있다. 러시아의 3D바이오프린팅솔루션(3D Bioprinting Solutions)은 3D 바이오 프린팅 기술을 이용해 쥐 갑상선을 만들어 갑상선 기능이 떨어진 쥐에 제작물을 이식하는데 성공했다. 오가노보 (Organovo)는 최근 인간의 간 조직 모델을 만들었으며 28일 동안 안정적으로 제 기능을 했다고 발표했다. 여러 가지 연구 활동으로 부산스러운 가운데 자칫 못보고 넘어가는 것은 기관배양에 관한 기술이다. 이는 기관 프린팅과 마찬가지로 기관들을 디지털화하는 기술이다.

생명을 위한 모델 구축

목표로 하는 기관에 대한 정확한 디지털 모델이 없이는 바이오프린터는 아무 것도 할 수 없다. 복잡한 구조를 가지고 현관, 서로 다른 세포 유형, 기하학적인 고유의 특성을 가진 크고 실제적인 기관일수록 디지털 모델의 필요성은 더욱 크다.

웨이크포레스트연구소 재생의학부서장인 앤서니 아탈라(Anthony Atala) 박사는 2011년 테드 토크(TED Talk)에서 이러한 정확한 디지털 모델의 구축에 관한 그의 희망에 대해 설명했다.

환자의 해부학적 구조의 지형을 신중하게 지도화하기 위해 3D 스캐너를 이용하여 정확한 입체적 자료를 구하고 이러한 자료를 프린터 헤드에 공급한다.

올해 아탈라 박사 연구팀은 ‘통합 조직 및 장기 프린팅 시스템(integrated tissue and organ printing system, ITOP)’이라는 새로운 방법을 통해 살아있는 동물 내로 이식된 후 프린팅된 조직이 영양분을 공급받을 수 있는 미세 채널 네트워크를 만들었다. 연구팀은 이 같은 방법을 통해 뼈와 연골, 근육을 만들 수 있게 됐으며 쥐에게 이식한 결과 이식 5개월 후 뼈가 정상 뼈와 비슷한 모양을 띄고 혈액의 공급이 원활한 것으로 드러났다. 이것도 시작치고는 훌륭한 성과이지만 더 좋은 이야기가 있다. 3D 프린터는 점차 값이 싸질 것이고 사용하기 쉬워진다. 3D 프린터는 어디에나 있게 되고 몇 년 후에는 일반적인 소비자들도 쉽게 사고 접근할 수 있을 정도로 가격이 내려갈 것이다. 클라우드를 통한 주문으로 온라인으로 3D 프린터를 이용할 수 있는 곳도 여러 군데가 있다. 앞으로 3D 프린터는 자동차, 비행기 부품, 집 전체를 만드는데 사용된다.

그러나 잘 훈련된 전문가를 제외하고는 엔지니어, 3D 프린팅을 취미로 하는 사람, 대부분의 연구원과 비전문가들은 프린트할 대상의 모델을 만드는 일에는 거의 또는 전혀 경험이 없다. 과학 연구, 교육, 의료 현장에서 필요한 모델을 만드는 경험이 없음은 더 말할 것도 없다.

3D 프린트 거래소(3D Print Exchange)

미 국립보건원이 진두지휘하는 3D 프린트 거래소는 추상적인 과학적 콘셉트들을 물질세계로 가져오는 것을 목표로 하고 있다. 웹사이트를 통해 바이오의료 3D프린트 파일, 모델링 강좌와 교육 자료를 공유, 검색, 다운로드할 수 있는 인터랙티브 플랫폼을 제공한다. 그렇게 함으로써 3D 모델을 생성하고 검사하는데 필요한 전문 산업지식을 제거하려고 한다. 모델화를 보다 쉽게 접근하게 하여 과학 연구와 발견을 위한 3D 프린팅의 적용을 더욱 확대하고자 한다.

연구원들은 3D 프린트 거래소를 이용하여 과학 원 데이터를 바로 프린트할 수 있는 3D 모델로 만들 수 있다. 중요한 것은 이는 웹을 기반으로 하는 툴을 통해 실행되며 대부분의 3D 프린터에서 사용할 수 있는 파일 포맷을 가진 고품질 모델을 생성할 수 있다. 이러한 방식으로 경험이 적은 연구원들도 3D 모델을 생성하는 지루한 일에서 벗어나 자신의 시간을 보다 창의적이고 흥미로운 분야에 사용할 수 있다. 가능성은 끝이 없다. 누구나 쉽게 사용할 수 있는 3D 모델링과 프린팅은 다음 세대의 의사와 연구원들에게 영감과 가르침을 주어 재생의학이 가진 가능성을 끝까지 발휘할 수 있는 기술을 개발할 수 있도록 한다.