postech-School of EECS Convergence

[조동우 교수팀, 3D 바이오프린팅 기술 기반 장-신장 모사체 제작 및 장성 과수산뇨증 모사체 개발]

3D 바이오프린팅이란 살아 있는 세포를 원하는 형상으로 쌓아 올려 원하는 조직이나 장기를 제작하는 기술이다. 지금까지 장, 신장 등 장기나 근육 등 하나의 기관을 만드는 연구는 많았지만 서로 연결된 장기를 모사하는 경우는 없었다. 최근 POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 연구팀에서 ‘장-신장’이 기능적으로 연결된 이중장기를 개발하고, 장과 신장에 걸쳐서 나타나는 장성 과수산뇨증 같은 복잡한 복합 질환 환경을 프린팅하는데 성공했다.

기계공학과 조동우 교수, 기계·IT융합 장진아 교수, 윤정빈 박사 연구팀이 3D 바이오프린팅 기술을 적극 활용한 이중장기 모사체 개발하고, 각 장기의 유기적 연결을 기반으로 복합 장성 과수산뇨증 질환의 병리학적 현상들을 생체 외 모사체 내부에 재현하는데 성공했다. 이 연구 결과는 응용 물리학 분야의 국제 학술지 ‘어플라이드 피직스 리뷰(Applied Physics Review)’에 게재됐다.

장성 과수산뇨증(Secondary Hyperoxaluria)은 염증성 장 상피에서 옥살산 (oxalate)이 과흡수 되어 신장 내부로 유입되면서 신장 결석(CaOx kidney stone)을 유도하는 복합 질환이다. 장성 과수산뇨증의 발병률은 매년 빠르게 증가하고 있는데, 이런 다중 장기에 걸쳐 나타나는 복합 질환을 대상으로 하는 치료법을 찾기 위해서는 장 조직과 신장 조직이 연결된 고성능의 이중장기 모사체의 개발이 필요하다.

장으로부터 과흡수 된 수분, 지방산, 질소화합물 등은 신장으로 이동하여 다시 한번 여과(재흡수)된 후, 소변을 통해 배출된다. 따라서 정상적인 생명활동을 유지하기 위해 소화·흡수(장)와 배출(신장) 작용은 그 균형을 유지해야 하며, 이는 장과 신장이 기능적으로 밀접하게 연결되어 있다는 것을 의미한다. 그만큼 장과 신장에 걸쳐 나타나는 복합 질환 모사체를 프린팅하는 것은 쉽지 않은 도전이다.

연구팀은 3D 바이오프린팅 기술을 바탕으로 미세 유체 시스템에 연결하여, 장-신장 모듈의 유기적 상호작용을 강화했다. 동시에 세포배양 배지가 순차적으로 각 장기 모듈에 순환, 통과될 수 있도록 설계해 장 장벽 파괴, 신장 결석 생성·신장 결석에 의한 신근위세뇨관의 손상과 같은 장성 과수산뇨증의 주요 병태생리학적 특징을 생체 외 이중장기 모사체 내부에 재현하는 데 성공했다. 뿐만 아니라 이렇게 개발된 장성 과수산뇨증 복합 질환 모사체 내부에 신장 결석 억제제를 처리한 결과, 신장 결석이 용해되는 것을 확인함으로써 그 성능 역시 검증했다.

조동우 교수는 “이번 연구는 3D 바이오프린팅 기반 제작 기술을 응용해 장과 신장 등 유기적으로 연결된 장기를 모사할 수 있음이 확인됐다”며 “이는 앞으로 여러 장기에 걸쳐 나타나는 복합 질환을 한 번에 치료할 수 있는 의약·바이오 제품 개발에 적극 활용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

또, 장진아 교수는 “포항지식산업센터를 거점으로 구축된 바이오프린팅 인공장기 응용 기술센터와 동물 대체 시험평가 GMP 시설에서, 이 3D 바이오프린팅 기반 제작 기술을 적극적으로 활용하여 더욱 고도화된 동물실험 대체용 인공장기 제작 기술을 개발할 예정이며, 향후 수요기업 맞춤형 인공장기 시제품 제작 및 상용화를 신속히 추진해 나갈 예정”이라고 밝혔다.

이 연구는 한국연구재단 나노·원천기술개발사업, 범부처재생의료기술개발사업, 스마트특성화기반구축사업의 지원으로 수행됐다.