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돼지-줄기세포-3D프린터… ‘인공장기’ 기술 실용화 성큼

돼지-줄기세포-3D프린터… ‘인공장기’ 기술 실용화 성큼

돼지 유전자 교정해 거부반응 없앤 ‘형질전환 돼지’ 연구 급속도 진행
크리스퍼 유전자가위로 편집 쉬워져… 줄기세포 배양해 맞춤 장기 만드는 ‘세포 기반 인공장기’ 기술도 나와… “15년 후 췌도-각막 이식 가능할 듯”


줄기세포에 필요한 인체 단백질이나 유전자를 처리해 원하는 오가노이드로 분화시키는 과정.
줄기세포로 다양한 오가노이드를 만드는 방법이 알려지면서 인공장기 개발 가능성도 한층 커지고있다. 과학동아 제공


간암입니다. 걱정할 것 없습니다. 새로운 간을 만들어 이식수술을 받으면 됩니다.”

의사에게 이런 말을 듣는 게 가능해질 수 있을까. 현재 의학 기술로는 장기 이식수술을 받으려면 다른 사람의 몸에서 건강한 장기를 떼어 와야 한다. 적합한 장기 제공자가 나타날 때까지 기다리다가 끝내 수술을 받지 못하는 경우도 많다. 2013년부터 5년간 국내에서만 7776명의 이식 대기환자가 안타깝게 목숨을 잃었다. 이런 문제를 해결하기 위해 최근 사람에게 필요한 장기를 실험실에서 만들어내는 ‘인공장기’ 기술이 새롭게 주목받고 있다.  

인공장기 기술 중 실용화 가능성이 높은 분야는 돼지나 영장류 등 다른 동물의 장기를 활용하는 ‘이종(異種)장기’ 분야다. 동물 중에서 장기이식 후보 영순위로 거론되는 동물은 돼지다. 돼지는 장기의 구조와 비율, 생리 특성도 유사해 이종 간 장기이식 연구에 유망한 동물로 꼽혀 왔다. 다만 인간과 돼지의 면역 체계가 다르다는 점이 문제로 꼽힌다. 혈관을 연결하는 즉시 이식한 장기가 괴사하기 시작되는 ‘초(超)급성 거부반응’이 대표적이다. 가령 돼지 장기를 인간에게 이식할 경우, 세포 표면에 있는 ‘알파 1,3-갈락토오스(알파갈)’라는 당 성분에 인체의 면역시스템이 반응하면서 돼지 장기를 집중적으로 공격한다. 
 

한국생명공학연구원이 관리 중인 형질전환 미니돼지. 한국생명공학연구원 제공

최근 돼지의 유전자 일부를 교정해 이런 거부반응을 없앤 ‘형질전환 돼지’ 연구가 빠르게 진행되고 있다. 동식물의 유전자를 정확하고 자유롭게 잘라낼 수 있는 ‘크리스퍼 유전자가위(CRISPR-Cas9)’ 기술의 진보로 유전자 편집도 한층 손쉬워지고 있다.

아예 거부반응을 피해가는 방법을 찾는 경우도 있다. 피부나 각막, 췌도 등의 일부 조직은 형질전환 돼지를 만들지 않아도 인간에게 이식이 가능한 경우가 있으니, 이를 먼저 실용화하자는 것이다. 국내 바이오이종장기개발사업단은 2016년 감염을 없애기 위해 깨끗한 상태에서 키운 ‘무균돼지’에서 각막을 얻은 뒤, 이를 영장류에 이식하자 6마리 모두 6개월 이상 시력을 유지했다. 
 
 

줄기세포에서 자란 장 조직 오가노이드의 실제 모습. 플로스원 제공

이론적으로는 부작용이 전혀 없는 ‘궁극의 인공장기’를 개발하는 방법도 존재한다. 인체의 어느 기관으로든 자랄 수 있는 줄기세포를 이용해 맞춤형 장기를 만드는 ‘세포 기반 인공장기’ 기술이다. 이 방법은 최근 줄기세포 분야에서 핫한 분야인 ‘오가노이드(organoid)’ 분야에서 실마리가 나오고 있다. 오가노이드는 실험용으로 배양하는 초소형 생체기관이다. 과학자들은 줄기세포를 이용해 장 세포, 위 세포 등을 만들었는데, 세포수가 점차 늘어나면서 자연스럽게 장기의 형태를 띤다는 사실을 발견했다. 위 세포를 배양했더니 위와 비슷한 형태로 성장하는 식이다.

다카베 다카노리 일본 요코하마시립대 교수는 2013년 유도만능줄기세포를 이용해 간 싹(세포덩어리)을 만들었는데, 다카베 교수는 이 간 싹을 동물의 병든 간 주변에 이식하면 혈관이 연결되면서 실제로 간 기능을 한다는 사실을 실험용 쥐를 이용해 증명했다. 

 
 
이달 초 미국 듀크대 연구진 역시 줄기세포를 이용해 진짜 근육처럼 수축할 수 있는 근섬유(muscle fiber)를 만드는 데 성공했다. 사고 등으로 근육을 잃어 팔다리 기능을 잃은 사람을 치료할 수 있는 길이 열린 셈이다.

바이오이종장기개발사업단의 신준섭 서울대 의대 교수는 “3차원(D) 프린터로 장기의 형태를 지지하는 구조체나 뼈 등 면역거부반응이 거의 없는 조직을 만들 수 있다”며 “여기에 오가노이드를 이용한 첨단 세포 배양기술을 덧붙인다면 수술에 필요한 인공장기를 가까운 시기에 생산할 수 있을 것”이라고 말했다.

인공장기 기술은 가까운 미래에 의학 산업의 중추로 떠오를 것으로 기대된다. 한국과학기술기획평가원(KISTEP)은 10∼15년 뒤에는 췌도, 각막 등 인체의 일부 조직이 실제로 인간의 장기를 대체할 수 있을 것으로 전망했다. 정상기 KISTEP 미래예측본부장은 “인공장기 기술을 활발히 연구하는 선진국에 대응하려면 한국도 연구방향을 국가 차원에서 설정해 모든 역량을 집결할 필요가 있다”고 말했다.
  
전승민 동아사이언스 기자 enhanced@donga.com

출처 : http://news.donga.com/3/all/20180119/88239887/1#csidx02d8a99e83db204add0bddd6d2b33e8
원문보기 : http://web.donga.com/pdf/pdf_viewer.php?vcid=2018011940A24240107