호주 멜버른 대학에서 기존 대비 350배 빠른 3D 바이오 프린터를 발명했다고 밝혔다. 연골이나 뼈는 물론 뇌 조직까지 인체 곳곳의 다양한 물성을 가진 조직을 제작할 수 있는 데다가, 빠른 프린팅 속도로 세포 생존율을 높이면서 올바른 배치가 가능하다는 설명이다.
단 몇 초만에 정교한 프린팅 가능
국제 학술지 「네이처」에 게재된 연구에 따르면, 멜버른 대학 콜린스 생체 마이크로 시스템 연구실에서 기존의 3D 바이오 프린터보다 여러 방면에서 월등한 ‘동적 인터페이스 프린팅(Dynamic Interface Printin, DIP)’ 시스템을 발명해냈다. DIP 시스템은 기존 대비 프린팅 속도를 350배 향상시켰으며, 조직 내 세포 위치를 지정할 수 있다는 점을 핵심 특징으로 한다.
보통 상업적으로 이용 가능한 3D 바이오 프린터는 층(Layer) 기반으로 작동하며, 각 층을 순차적으로 쌓아가는 방식으로 작동한다. 이는 하나의 결과물을 완성하는 데도 상당한 시간이 걸릴 수 있으며, 제작 과정에서 살아있는 세포가 손상되거나 사멸될 위험이 있다.
멜버른 대학 콜린스 연구실에서 내놓은 DIP 모델은 정교한 광학 기반 시스템을 통해 기존 공정을 뒤집었다. 기존 레이어 접근 방식 대신, 진동하는 거품을 사용해 단 몇 초만에 세포 구조를 3D로 구현할 수 있다. 기존 대비 약 350배 빠른 속도인 데다가, 세포의 구조를 매우 정밀하게 복제할 수 있어 실제 인체 조직과 유사성이 매우 높은 형태를 만들어낼 수 있다.
세포 손상, 사멸 위험 감소
또한, 3D 바이오 프린터로 만들어낸 조직은 완성 뒤 세포 구조가 제대로 갖춰졌는지 확인·분석하는 과정이 필요하다. 이때 분석 및 이미징을 위해 완성된 결과물을 표준 실험용 플레이트로 옮겨야 하는데, 이는 극도의 조심성을 필요로 하는 작업이다. 자칫하면 이 과정에서 기존에 없던 손상이 발생할 수 있기 때문이다.
연구실 책임자인 데이비드 콜린스 부교수는 이러한 한계점도 해결했다고 밝혔다. DIP 시스템은 표준 실험용 플레이트에 직접 프린팅이 가능하기 때문에 완성 후 물리적인 이동이 필요하지 않다. 프린팅된 구조 그대로 무균 상태가 유지되기 때문에 이동 과정에서 발생할 수 있는 세포 손상이나 사멸 위험이 대폭 감소했다.
세포 위치 조정 가능
콜린스 부교수는 “자동차가 제대로 작동하려면 기계 구성품을 정확하게 배열해야 하듯, 인간 조직의 세포 역시 마찬가지다”라고 말하며, “우리 시스템은 프린팅 속도를 크게 개선하는 것 외에도, 만들어진 조직 내 세포 위치를 어느 정도 지정할 수 있다”라고 강조했다.
그의 설명에 따르면, 기존 3D 바이오 프린터는 세포의 자연스러운 정렬에 의존하는 방식이다. 이 때문에 세포 위치가 잘못될 가능성이 있고, 이는 인간 조직을 정확하게 만들어내는데 한계를 가지는 주된 이유가 된다. 이 때문에 기존까지 3D 바이오 프린팅은 단순한 조직 구조물을 제작하는 수준으로만 활용돼 왔다.
반면, DIP 시스템은 진동하는 거품에 의해 생성된 음향파를 사용, 3D 프린팅 구조 내에서 세포를 배치하는 방식이다. 콜린스 부교수는 “이 방법은 인체의 복잡한 조직을 구현하는 데 필요한 기초가 된다”라고 이야기했다. 복잡한 인체 조직과 장기를 정밀하게 재현할 수 있다는 점에서 폭넓은 응용 가능성을 갖췄다고 할 수 있다.
동물실험 없이 윤리적 신약 개발 가능
DIP 시스템의 핵심은 ‘음파(소리)’를 이용한 신속하고 정밀한 프린팅이다. 음파에 의해 생성된 거품이 세포를 특정 위치로 이동시키고 정렬시킬 수 있기 때문에, 연구자들이 의도적으로 원하는 위치에 세포를 배치할 수 있는 가능성을 높인다. 즉, 복잡한 구조의 조직을 더욱 정밀하게 만들어낼 수 있다는 의미다.
이는 신약 개발 과정에서 동물실험의 필요성을 감소시킨다. 동물실험은 새롭게 개발된 약물이 사람을 대상으로 사용되기 전, 그 안전성을 평가하기 위한 과정이다. 인간과 유사한 생리학적 반응을 가진 동물에게 약물을 주입해, 체내 작용 과정 및 효능, 안전성 등을 연구하는 것이다.
그러나 DIP 시스템을 통해 정밀하게 모사된 인체 조직을 사용하면 동물을 희생시키지 않고도 필요한 데이터를 얻을 수 있다. 즉, 생명윤리 차원에서 더 나은 방향으로 신약 개발이 가능해지는 것이다. DIP 시스템은 프린팅 속도가 빠른 것이 장점이므로, 약물에 대한 테스트 속도 또한 가속화될 수 있다.
암, 심장질환, 치매 연구에도 기대
DIP 시스템을 활용하면 특정 암 조직을 정밀하게 재현할 수도 있다. 이는 암 세포의 성장, 전이, 반응을 보다 세밀하고 정확도 높게 연구할 수 있는 배경이 된다. 만들어진 암 조직을 대상으로 다양한 항암제 효과를 테스트할 수 있으므로, 더욱 우수한 항암제 개발을 비롯해 효과적인 개인 맞춤형 치료법을 찾을 수 있게 될 것이다.
같은 원리로, DIP 시스템은 심장 조직을 모델링해 심혈관 질환의 메커니즘을 더욱 정확히 이해하고 새로운 치료법을 찾는 데도 도움을 줄 수 있을 것이다. 여전히 명확한 원인을 찾지 못한 뇌 및 신경계 질환에 대해서도 기대해볼 수 있다. 뇌 조직 모델을 만들어낼 수 있다면 신경세포의 상호작용 및 뇌 질환의 진행과정을 이해하는 데 기여할 수 있다.
‘빠르고 정확한 인체 조직 프린팅’이라는 특징을 감안한다면, 이밖에도 호흡기, 소화기, 대사 관련 질환에 관한 연구에도 얼마든지 응용이 가능하다. 또한, 조직 및 장기 재현 기능으로 재생의학 분야의 발전에도 혁혁한 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다.
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