△ 국내에서 인공장기 기술의 개발에 잇따라 성공하고 있다.

국내 연구진이 최근 잇따라 인공장기를 개발, 새로운 의료기기의 등장에 기대감을 모으고 있다.

1일 의학계 등에 따르면 국내 연구진이 환자 맞춤형 종양, 오가노이드 대량생산 플랫폼, 미니 장기 제조용 바이오프린팅 기술 등을 개발하는데 성공했다.

울산과학기술원(UNIST) 바이오메디컬공학과 강현욱 교수는 최근 서울아산병원, 티앤알바이오팹 연구팀과 함께 기존 암 모델 한계를 극복하고 개별 환자의 암 특성과 치료 반응성을 정밀하게 예측할 수 있는 시스템을 구축하는 데에 성공했다.

연구팀은 이번 연구가 3D 바이오프린팅과 AI 기술의 융합이 맞춤형 암 치료 분야에서 실질적인 혁신을 이룰 수 있음을 입증한 성과로 정밀의료 및 차세대 암 치료 기술 발전에 중요한 기여를 할 수 있을 것으로 기대했다.

기존 환자 유래 장기 유사체 배양 방식은 종양 미세환경의 복잡성을 충분히 반영하지 못해 환자 간 종양 특성 차이를 정밀하게 분석하는 데 어려움이 있었다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 3D 바이오프린팅 기술을 활용해 방광암과 대장암 환자의 종양 특성을 더 정확히 모사할 수 있는 모델을 개발했다.

이 기술은 3D 바이오프린팅 기술을 통해 균일한 크기와 형태의 종양 오가노이드를 배열하고 실제 암 조직과 유사한 기질 강성(약 7.5kPa)과 저산소 환경을 재현함으로써 환자 개개인의 암 특성을 보다 정확히 모사할 수 있도록 설계됐다.

또 종양 특이적 단백질(CEACAM5)의 발현 패턴을 반영해 환자 간 종양 특성 차이를 정확히 가려낼 수 있으며 항암제인 5-플루오로유라실(5-FU)에 대한 반응성을 예측하는 데에도 활용될 수 있다.

연구팀은 더 나아가 3D 바이오프린팅으로 생성된 종양 오가노이드 이미지 데이터를 머신러닝 알고리즘으로 분석해 환자의 암 특성을 자동으로 분류하는 AI 기반 시스템도 개발했다.

이를 통해 별도의 형광 염색이나 유전자 분석 없이 빠르고 정확한 암 특성 평가가 가능해졌다는 설명이다.

연구팀은 향후 면역세포와 혈관 구조 등 종양 미세환경을 더 정교하게 모델링해 환자 맞춤형 치료 전략 개발에 기여한다는 계획이다.

포스텍 김동성 교수팀은 최근 울산과학기술원(UNIST) 박태은 교수팀과 함께 머리카락 굵기의 200분의 1 수준인 수백 ㎚(나노미터·100만분의 1㎜) 지름의 나노 섬유로 3차원 멤브레인(얇은 고분자 막)을 통해 오가노이드를 대량 생산할 수 있는 플랫폼을 구현했다.

연구팀이 개발한 플랫폼은 멤브레인이 오가노이드를 구조적으로 제약하는 역할을 해 크기가 균일하게 형성되도록 하며 투과성이 높아 배양 과정에서 영양분이 효율적으로 전달돼 오가노이드의 성숙도를 높일 수 있다.

연구팀은 개발한 플랫폼을 이용해 인간 유도만능줄기세포로부터 인간의 신장과 유사한 구조와 혈관이 형성된 신장 오가노이드를 일관된 품질로 생산하는 데 성공했다.

이어 신장 오가노이드에 다낭성 신장 질환을 유발, 질병 모델링과 약물 평가 가능성을 확인했다.

연구팀은 오가노이드 품질 확보와 대량 생산 문제를 해결함으로써 임상 산업 등에서 활용성을 높일 수 있을 것으로 기대했다.

한국과학기술연구원 바이오닉스연구센터 이병철 책임연구원팀은 최근 전자재료연구센터 백승협 책임연구원, 고려대 김태근 교수와 공동으로 압전물질(기계적 에너지를 전기에너지로 변환시키는 물질)을 활용해 기존보다 두께가 얇으면서도 성능은 높인 바이오잉크용 잉크젯 프린트 헤드를 개발했다.

바이오프린팅은 세포와 하이드로젤 같은 바이오잉크를 사용해 인체 조직이나 장기 같은 3차원(3D) 구조물을 제작하는 기술이다.

생체 재료를 쓰는 만큼 잉크젯 장비의 발열에 민감하고, 대부분 하나의 바늘을 가지는 주사기 형태 정도에 머물러 제작에 오랜 기간이 걸리는 게 기술의 한계점으로 여겨져 왔다.

이에 연구팀은 전기에 따라 압력이 변하는 물질인 압전물질 중 하나인 'PMN-PZT' 박막을 재료로 사용해 자유롭게 조절할 수 있는 16개 잉크 토출부를 0.3㎜ 간격으로 배치한 프린트 헤드를 개발했다.

박막 형태로 잉크젯 두께를 줄여 하이드로젤을 기존 대비 2분의 1 수준인 지름 32마이크로미터(㎛, 100만분의 1m) 크기로 출력하는 데 성공했으며, 출력 속도도 초당 1.2m로 빨라졌다.

또 발열을 기존 잉크젯 대비 73.4% 줄여 출력할 때 온도 상승을 3.2도 이내로 억제해 동작 온도를 30도 이하로 유지함으로써 바이오잉크 변성을 최소화했다.

연구팀은 젤라틴 등 다양한 바이오잉크를 시도해 실제 이식 치료 및 독성 평가에 적용이 가능한 장기를 만들 수 있는 3차원 바이오프린터를 상용화할 계획이다.

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• 강찬우 기자
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