[바이오타임즈] 美 대학교 생명공학자들이 디자인 회사와 협력하여 생체 조직 인쇄를 위한 획기적인 기술을 개발했다. 생체 적합 물질이자 투영 SL(stereolithography)를 위한 강력한 광 흡수제로 작용하는 식품 염료 첨가제를 사용함으로써 혈관 내부 및 다중 혈관을 자유롭게 설계할 수 있게 된 것이다.
이번 달 3일 사이언스지의 표지에 실린 이 연구는 폐를 모방하여 주변의 혈관에 산소를 공급하는 기도를 구성하는 공기주머니의 하이드로겔 모델을 선보였다. 이 새로운 혁신은 과학자들이 혈액, 공기, 림프 및 기타 중요한 액체를 위한 신체의 자연 통로를 모방하는, 정교하게 얽힌 혈관망을 만들 수 있게 한다.
본 연구는 미국 텍사스 주 라이스 대학의 생명공학자인 Jordan Miller와 워싱턴 대학교(UW)의 Kelly Stevens가 주도했으며, 라이스, UW, 듀크 대학교, 로완 대학교와 매사추세츠 서머빌의 디자인 회사인 Nervous System에서 15명이 참여했다.
라이스 브라운 공대의 생명공학 부교수 Miller는 "기능성 조직 교체를 만드는 데 가장 큰 장애물 중 하나는 밀도가 높은 조직에 영양소를 공급할 수 있는 복잡한 혈관을 인쇄할 수 없다는 것"이라고 말했다. "우리의 장기는 실제로 폐의 기도와 혈관이나 간 속의 담관이나 혈관과 같은 독립적인 혈관망을 가지고 있다. 이러한 상호 침투 네트워크는 물리적으로나 생화학적으로 얽혀 있으며, 구조 자체는 조직 기능과 밀접하게 관련되어 있다. 우리 것은 직접적이고 포괄적인 방법으로 복수 혈관 신생의 도전에 대처하는 최초의 바이오 프린팅 기술이다."
UW공대의 생명공학부 교수이자 UW 의과대학 병리학과 조교수이며 UW의학연구소 연구위원인 Stevens는 형태와 기능이 서로 맞아떨어지는 경우가 많기 때문에 복수 혈관 신생이 중요하다고 말했다.
연구팀은 "조직 공학을 위한 SLA(stereolithography apparatus for tissue engineering; SLATE)"라고 불리는 새로운 오픈 소스 바이오 프린팅 기술을 개발했다. 이 시스템은 적층 제조를 사용하여 부드러운 하이드로겔을 한 번에 한 층씩 만든다.
층은 블루 라이트에 노출되면 고체가 되는 액체 프리-하이드로겔 용액으로 인쇄된다. 디지털 조명 처리 프로젝터는 아래에서 빛을 반사하며, 픽셀 사이즈가 10-50미크론 범위 정도 되는 고해상도로 구조물의 2D 슬라이스를 순차적으로 표시한다. 각 층을 차례로 굳힌 상태에서, 오버헤드 암은 프로젝터의 다음 이미지를 처리할 수 있을 정도로만 3D 겔을 올린다. 이 연구의 공동저자인 라이스 대학원생 Bagrat Grigoryan과 Miller의 중요한 통찰력은 블루 라이트를 흡수하는 식품 염료의 첨가였다. 이 식품 염료는 고형화를 매우 미세한 층으로 제한한다. 이런 식으로, 시스템은 몇 분 안에 복잡한 내부 구조를 가진 부드럽고, 물 기반의 생체 적합성 젤을 생산할 수 있다.
"조직 공학 분야는 한 세대 동안 이 문제로 어려움을 겪어왔다. 이 연구로 우리는 이제 '만약 우리가 우리 몸의 건강한 조직처럼 생기고 심지어 숨 쉬는 조직을 인쇄한다면, 그것들은 그 조직과 같이 기능적으로 행동할 것인가?'라고 묻는 상황에 이르렀다. 이는 바이오 프린팅 된 조직이 얼마나 잘 기능하느냐가 치료로써 얼마나 성공할 것인가에 영향을 미칠 것이기 때문에 매우 중요한 질문이다."라고 Stevens가 더했다.
건강하고 기능적인 장기를 바이오 프린팅 하고자 하는 목표는 장기 이식의 필요성에서 나온다. 미국에서만 10만 명 이상의 사람들이 이식 대기자 명단에 올라 있고, 결국 기증된 장기를 받더라도 거부 반응을 막기 위해 평생 동안 면역 억제 약물을 복용해야 한다. 바이오 프린팅은 의사들이 환자의 세포를 사용하여 대체 장기를 인쇄할 수 있게 함으로써 이론적으로 이 두 가지 문제를 해결할 수 있기 때문에 지난 10년 동안 강한 관심을 끌었다. 전 세계적으로 수백만의 환자들을 치료하기 위해 언젠가는 기능하는 장기를 공급할 수 있을 것이다.
Miller는 "우리는 향후 20년 안에 바이오 프린팅이 의학의 주요 구성요소가 될 것으로 예상한다"라고 말했다.
폐를 모방하는 구조물을 실험한 결과, 사람의 호흡의 압력과 빈도를 시뮬레이션한 리드미컬한 공기 섭취와 유출인 맥동성 "호흡"과 혈액 흐름 중에 터지는 것을 방지할 수 있을 정도로 조직이 튼튼하다는 것이 밝혀졌다. 검사 결과 적혈구는 "호흡하는" 공기주머니를 둘러싼 혈관의 네트워크를 통해 흐르면서 산소를 흡수할 수 있는 것으로 밝혀졌다. 이러한 산소의 움직임은 폐의 폐포에서 일어나는 가스 교환과 유사하다.
Miller는 사이언스 표지에 실린 이 연구의 가장 복잡한 폐 모방 구조물을 디자인하기 위해 연구 공동저자이자 Nervous System의 공동창업자인 Jessica Rosenkrantz와 Jesse Louis-Rosenberg와 협력했다.
"우리가 Nervous System을 설립했을 때 그것은 자연으로부터의 알고리즘을 제품을 디자인하는 새로운 방법으로 적응시키는 것을 목표로 했지, 그것을 다시 살아있는 조직을 디자인하는 데 사용할 기회가 있으리라고는 상상도 못 했다."라고 Rosenkrantz가 말했다.
[바이오타임즈 = 안선희 기자] smbio.sunny@gmail.com
