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속도 내는 3D 바이오 프린팅, 인공장기 시대 활짝


▲출처=셔터스톡

몸에 맞는 장기만 있으면 이식 수술을 통해 생명을 연장할 수 있었지만 대기 명단에 이름을 올려놓고 언제 올지도 모르는 순서를 애타게 기다리다 수술도 못 받아보고 사망하는 수많은 환자들의 사례가 많다. 이처럼 주로 다른 사람의 기증에 의존하는 장기이식에 대한 대안으로서 인공장기에 대한 관심이 높아지는 가운데 3D 바이오프린팅 특허 출원이 급증한 것으로 나타나 희소식이 되고 있다.

바이오 프린팅 국내 특허 출원 급증

특허청에 따르면 바이오 프린팅 분야 국내 특허출원은 지난 2013년 6건에 불과했지만, 지난해에는 50건으로 급증한 것으로 나타났다. 4차 산업혁명 물결을 타고 3D 프린팅 기술이 의료 분야에 급속도로 스며들면서 인공장기 분야에서 가장 각광 받고 있는 바이오 프린팅 기술 발전 속도가 빨라진 것이다.

바이오 프린팅은 잉크젯프린터의 잉크 입자 크기가 사람 세포와 비슷하다는 점에서 착안했다. 여타의 3D 프린팅과 원리는 동일하지만 살아있는 세포 기반의 바이오 잉크를 원료로 신체조직과 장기를 제작하는 게 바이오 프린팅이다. 의료 분야에서 기존 3D 프린팅은 치과 보철, 의족, 의수 등 인공보철물 제작에 그쳤지만 바이오 프린팅은 혈관, 안구, 간, 심장 등 인제 조직과 장기까지 제작할 수 있을 것으로 전망된다.

특허청의 3D 바이오 프린팅 출원동향을 살펴 보면 내국인이 전체의 88%로 가장 비중이 크고, 다음으로는 대학이 57건(47%), 이어 중소기업, 개인, 공공연구기관 순이다. 분야별로는 바이오 프린팅 장치와 소재에 대한 출원과 뼈 지지체, 두개골, 안구 등 체내 이식물에 대한 출원이 최근 급증한 것으로 나타났다.

▲인공간조직(출처=특허청)

장기이식 수요 급증, 부족한 기증, 면역 거부 문제로 ‘인공장기’ 각광

다른 사람의 장기를 기증받는 전통적인 방법의 장기이식 기술도 과거에 비해 크게 발전했으며 성공률도 높아졌다. 실제로 영국에서 지난 2008년에서 2010년 사이 장기이식 수술을 받은 환자들 가운데 5년 이상 생존한 환자들은 신장 이식의 경우 90%, 심장은 71%, 간은 82%에 달했다. 이는 각각 69%. 63%, 64%였던 15년전에 비해 크게 개선된 수치다.

문제는 여전히 장기이식이 필요한 환자에 비해 기증 장기의 수가 턱없이 부족하다는 점이다. 다수의 환자들이 대기명단에 이름을 올리고 순서를 기다리다 사망한다. 국내의 경우 2015년 기준으로 장기 이식을 기다리는 환자는 2만 7천 명이 넘는 반면 실제 수술을 받은 사람은 4천여 명에 불과하다. 전세계적으로도 장기이식을 기다리는 환자는 360만명에 달한다.

이 뿐 아니라 자신의 신체가 거부하지 않는 잘 맞는 장기를 찾는 일도 쉽지 않다. 환자의 몸에 외부 조직이나 장기가 들어오면 면역체계가 이를 거부할 수 있고, 이를 방지하기 위해 면역억제제를 쓰면 각종 바이러스나 세균에 환자가 노출되는 위험을 감수해야 한다. 부족한 인체 장기기증의 대안으로 돼지 등으로부터 얻은 이종 장기 이식이 있지만 이 역시 면역 거부 등의 문제로부터 자유롭지 못하다.

하지만 장기이식에 대한 수요는 점점 높아지고 있다. 장기 손상은 흡연, 오염된 공기, 잘못된 생활 습관 등 다양한 원인으로부터 오는데, 특히 인구 고령화에 따른 노화가 장기이식 수요를 높이는 주 요인으로 비중이 커지고 있다. 이에 부족한 장기기증 문제를 해결할 수 있는 인공장기에 대한 관심이 높아지고 있으며 실제로 지난해 미국 인공장기 시장은 120억달러 이상의 규모를 형성한 것으로 나타났다.

인공 장기 기술은 신체 기능을 복원하는 기술과 완전 이식형 인공 장치를 개발하는 2가지가 있다.현재 개발되고 있는 분야는 인공 눈, 인공 피부, 인공 췌장, 인공 신장, 뇌파로 조작 가능한 의수나 의족 등이 있다.

▲인공피부(출처=특허청)

국내외에서 3D 바이오 프린팅 기술 개발 성과 속속 나와

이처럼 폭발하는 인공장기 수요에 힘입어, 인공장기 제작을 위한 바이오 프린팅 시장이 커질 것으로 예상된다. 해외 시장조사 업체에 따르면 전세계 3D 바이오 프린팅 시장은 2017년부터 2021년까지 매년 평균 27.4% 성장해 2012년에는 13조 3,260만 달러 규모로 성장할 것으로 전망된다.

수요를 못미치는 장기기증, 면역거부 등의 부작용 등 기존 장기이식의 문제점을 모두 해소할 방법이 필요한 상황에서 바이오 프린팅이 급부상 중이다. 실제로 해외 연구기관과 기업들이 이를 이용해 인공 혈관, 간, 귀, 피부 등을 제작하는 데 성공하며 가시적인 성과가 나타나고 있다.

미국 바이오벤처 Organovo는 약물 독성검사를 위한 간 조직을 3D 프린팅을 통해 제작해 신약개발 과정에서 발생하는 임상시험 비용과 위험성을 크게 감소시켰다. 중국 쓰촨성 레보텍사는 원숭이의 지방층에서 추출한 줄기세포를 이용해 혈관을 3D 프린팅한 뒤 원숭이에게 이식하는 데 성공했는데 이는 영장류에 대한 최초의 바이오 프린팅 성공사례다.

국내의 3D 바이오·세포 프린팅 기업인 티앤알바이오팹은 3차원 세포 프린팅 기술을 활용해 동물시험을 대체하는 ‘오가노이드(장기유사체)’와 생체 조직을 재생시키기 위한 ‘3D 세포프린팅 치료제’를 개발하고 있다. 바이오잉크에 살아있는 세포들을 같이 넣어 3차원으로 프린팅하는 방식으로, 마치 두부판으로 두부를 찍어내듯 인공조직을 제작할 수 있다는 게 티앤알바이오팹 관계자의 설명이다. 지난 2014년 서울 성모병원에서 티앤알바이오팹의 바이오잉크를 활용한 환자 맞춤형 안면윤곽 재건 보형물을 제작해 안면윤곽 재건 수술에 성공하기도 했다.

이와 함께 ‘칩 위의 장기’라고 불리는 기술도 주목받고 있는 데 이는 칩 위에 생체 조직을 찍어서, 테스트용으로 사용할 수 있는 것이다. 최근 하버드대학 산하 생체모방공학 위스연구소 연구팀은 바이오 3D프린터를 활용해 사람의 심장 조직을 프린팅할 수 있는 '칩위의 심장' 기술을 개발하기도 했다. 이 기술을 활용하면 동물이나 인체 실험 없이도 새로운 약물이 생체에 미치는 영향을 관찰할 수 있게 된다.

▲바이오프린팅 세부 분야별 출원추이(출처=특허청)

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