기획·칼럼

‘공장’에서 맞춤 인공장기 만드는 시대 올까?

[전승민의 미래 의료] (10) ‘세포 기반 인공장기’ 기술 급성장

암으로 인한 제거 수술, 사고로 인한 손상, 성인병 및 만성질환 등으로 인한 기능 쇠퇴. 살아가다 보면 몸속 인체 조직이나 장기를 ‘새롭게’ 교체해야 할 필요가 생기는 일은 의외로 많다. 이런 일이 있을 때마다 지금까진 뇌사자, 사고 사망자 등의 장기를 이용해야 했다. 두 개를 가지고 있어 하나를 떼어내도 건강에 큰 문제가 없는 신장 등은 친인척 등으로부터 기증받는 일이 있긴 하지만 이도 쉬운 일은 아니다. 이런 상황이다보니 2013년부터 5년간 국내에서만 7776명의 이식 대기 환자가 안타깝게 목숨을 잃은 바 있다.

십수 년 후 미래에는 새로운 장기를 만들어 이식하는 것이 가능해 질지도 모른다. 심장이나 간 등 몸속의 다양한 장기는 물론, 피부, 각막 등 각종 인체조직도 척척 만들어 낼 수 있는 기술이 각지에서 연구 중이기 때문이다. 암과 같은 불치병, 각종 만성질환의 원인을 찾아내 치료할 수 있는 기술이 개발 중이지만, 그 치료 방법에서 장기이식이 꼭 필요한 경우도 많아 다가올 미래의료의 핵심이 될 것으로 기대된다.

현재 가능성 큰 건 이종장기분야

다양한 기술이 존재하고 저마다 장단점이 있지만 현재 가장 빠르게 실용화될 것으로 기대되는 것은 동물의 장기를 활용하는 ‘이종(異種) 장기’ 분야다. 이 중 가장 인기 있는 건 돼지다. 돼지는 인간과 장기 형태가 흡사한 데다 새끼를 많이 낳는다. 사람이 키우는 방법, 질병관리 방법 등도 잘 알고 있어 관리하기가 편리하다. 드물게 ‘가장 인간과 흡사한 영장류를 이용해야 한다’는 주장도 있지만 가격이나 장기의 생산성(?) 등을 고려할 때 수많은 이종장기 연구자들이 돼지를 더 선호한다.

중국 바이오기업이 2019년 말 발표한 형질전환 돼지의 모습. ⓒ치한 바이오텍

가장 큰 숙제는 ‘거부반응’을 없애는 일이다. 거부반응은 장기 이식의 가장 큰 숙제다.

거부반응은 크게 네 가지인데, 우선 가장 문제가 큰 ‘초(超)급성거부반응’ 부터 해결해야 한다. 강력한 면역작용 때문에 장기를 다른 동물에 연결하는 그 순간부터 그 자리에서 괴사해 들어가는 것을 볼 수 있을 정도다. 이 원인은 세포 표면에 있는 ‘알파 1,3-갈락토오스(알파갈)’이라는 당 성분이 인체의 면역 시스템이 이상 반응하면서 생겨난다.

이 산을 넘으면 ‘체액성 급성거부반응’이 기다린다. 수일 내에 생겨나는 경우가 많다. 그다음은 온몸의 혈관이 조금씩 망가지는‘혈관성 거부반응’이 발생한다. 보통 수개월 내에 일어난다. 마지막 네 번째로 전신에 걸쳐 조금씩 거부반응이 일어나는 ‘세포성거부반응’이나 ‘만성거부반응’도 있다. 이런 거부반응은 수년이 지난 다음에도 일어날 수 있다. 이런 거부반응을 제거하려면 돼지의 유전자를 편집해, 새로운 유전자를 가진 돼지를 만들어내야 한다.

이 네 단계의 거부반응 중 급성에 속하는 일부 유전자만 제거해도 당장 실용성이 생겨난다. 혈관성 거부반응이나 만성거부반응 등은 면역억제제 등을 이용해 어느 정도 통제할 여지가 있는 데다, 사람에 따라 차이도 크기 때문이다. 또 본래 면역반응의 영향을 크게 받지 않는 일부 조직은 급성 면역만 해결해도 사용이 가능하다. 따라서 연구자들도 이런 문제가 적은 각막, 췌도 등의 인체조직을 우선적으로 개발하고 있다. 최근 급성 거부반응의 원인인 ‘알파갈’ 유전자를 제거한 돼지를 개발한 사례가 속속 늘어나고 있다.

유전자를 편집하려면 최근 인기가 큰 ‘유전자 가위’ 등의 기술을 이용해야 하는데, 이 기술이 3세대 크리스퍼를 지나 4세대 ‘프라임 에디팅’ 기술로 급속하게 발전하고 있어 점점 희망이 커지고 있다.

다만 동물의 유전자는 한 종류가 여러 가지 기능을 가지고 있는 경우가 많다. 이 때문에 기존 유전자를 무조건 삭제해 버리면 알 수 없는 문제가 생길 여지가 크다. 따라서 인간이 거부반응을 일으키는 유전자와 반대 기능을 가진 유전자 종류를 찾아내 돼지 등의 동물 유전자에 끼워 넣는 방법을 자주 사용한다.

급성거부반응은 인체 유전자 중 hCD45, hCD55, hCD59, hsCR1란 이름의 유전자와, 혈관성 거부반응은‘hCD39’라는 유전자와 관계가 큰 것으로 알려져 있다. 현재 다양한 분야에서 실험 성공사례가 나오고 있어 십수 년후엔 각막, 췌도 등 비교적 부작용이 적은 장기가 우선적으로 의료현장에 도입될 것으로 보인다. 그 이후엔 점차 복잡한 조직으로 이식 가능한 장기가 늘어날 전망이다.

공장에서 인공장기 만드는 시대 올까

이종 동물 장기이식은 발전 가능성이 크지만 결국 동물을 죽여 그 장기를 이용하는 것이라 윤리적인 문제, 기술적으로 거부반응을 완전히 다 해결하기는 어려울 것이라는 지적, 수명이 긴 인간에게 돼지의 장기를 이식할 경우, 장기 자체의 수명이 인간에 미치지 못할 것이라는 지적 등이 자주 제기되고 있다.

이런 모든 문제를 완전히 해결할 수 있는 방법으로 환자의 몸에서 얻어낸 세포를 줄기세포로 바꾸고, 그 세포를 배양해 건강한 장기를 시험관 속에서 배양해 장기를 ‘생산’ 하는 ‘세포 기반 인공장기’ 기술도 급성장하고 있다.

꿈같은 이야기지만 과학의 발전으로 현실성이 부쩍 높아지고 있다. 방법은 크게 두 가지인데, 최근 주목받는 ‘오가노이드(organoid)’ 연구를 응용하는 방법, 그리고 장기 세포를 인위적으로 쌓아 올려 인공장기로 만드는 ‘바이오 프린팅’ 방법, 두 가지가 주로 연구되고 있다.

오가노이드란 실험용으로 배양하는 초소형 ‘장기유사체’를 말한다. 줄기세포를 배양해 실험적으로 만들어 왔는데, 이렇게 만든 장 세포, 위 세포 등으로 만들어 보니 세포수가 점차 늘어나면서 자연스럽게 장기의 형태를 띤다는 사실을 알아낸 것이다. 즉 줄기세포를 간세포로 만든 다음, 이것을 계속 배양했더니 실제 간과 비슷하게 성장하더라는 것이다. 일본 연구진은 이런 장기 세포를 실제 간에 주사한 결과, 혈관이 연결되면서 나빠진 간세포 대신 일을 하기 시작했다고 발표한 바 있다.

바이오 프린팅은 3D프린터로 배양해 낸 장기의 세포를 쌓아 올려 인체 조직처럼 만드는 기술이다. 이 경우 줄기세포 기술은 꼭 사용하지 않아도 된다. 예를 들어 췌장이 좋지 않은 환자에게서 뽑아낸 췌장세포 중 건강한 것만을 골라 인공배양을 한 다음, 그 세포를 3D프린터로 찍어 장기의 모습으로 만들면 인공장기로 쓸 수 있다는 이론이다.

의료진이 3D 프린팅 기술로 인공심장을 만드는 가상 이미지. ⓒ고려대의료원

오가노이드 기술과 바이오 프린팅 기술의 장점만을 취합하는 것도 가능해 앞으로 연구의 진척도 점차 빨라질 것으로 기대된다.

바이오 프린팅 기술은 뼈나 인대, 장기의 형태를 유지하는 단단한 세포 구조체 등의 단단한 조직도 만들 수 있는데, 이렇게 만들어낸 틀에 오가노이드로 배양한 세포를 덧붙이면 수술에 필요한 인공장기를 실제로 생산할 수 있는 가능성도 생긴다.

과학기술정보통신부와 한국과학기술기획평가원(KISTEP)의 연구동향 분석 따르면 바이오 인공장기는 수년 이내에 기술이 일부 상용화될 것으로 보인다. 약 10~15년의 시간이 흐르면 일부 인공장기가 실제로 의료시장에서 쓰이기 시작할 것으로 기대되고 있다.

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