3D 프린터로 만든 심장 박동 첫 성공

심근세포에 콜라겐 등 혼합한 바이오잉크 사용
100일간 박동…“20년 내 3D프린팅 장기 볼 것”

독일 과학자들이 3D 프린팅 기술로 만든 인공 심실. 프리드리히-알렉산더대 제공

심혈관 질환(CVD)은 세계 사망 원인 1위에 올라 있는 질환이다. 세계보건기구에 따르면 한 해 1800만명의 목숨을 앗아가는 질환이다. 특히 말기 심부전의 유일한 치료법은 심장 이식밖에 없다. 따라서 세포를 이용해 실제 심장처럼 박동하는 인공 심장을 만들 수 있다면 질환 연구와 치료에 새로운 전기가 될 수 있다.

독일 프리드리히-알렉산더대 연구진은 심장 근육세포를 3D 프린팅해 만든 미니 심실이 3개월 이상 박동하는 데 성공했다고 사전출판논문 공유집 <바이오아카이브>(bioRxiv)에 발표했다.

산소가 풍부한 혈액을 온몸에 공급해주는 심장은 위쪽 2개의 심방과 아래쪽 2개의 심실로 이뤄져 있다. 심방은 혈액을 받는 곳, 심실은 혈액을 내보내는 곳이다. 온몸을 돌고 우심방으로 들어온 혈액은 우심실을 거쳐 폐동맥으로 보내지고, 폐에서 산소를 공급받은 혈액은 폐정맥을 통해 좌심방, 좌심실로 들어간 뒤 대동맥을 통해 다시 온몸으로 공급된다.

연구진은 우선 심근 세포와 심장 조직의 주된 성분인 콜라겐 단백질, 히알루론산을 혼합한 바이오잉크를 만들었다. 이어 이 잉크를 노즐을 통해 젤 속에 넣으면서 원하는 모양, 즉 심실 모양으로 성형했다. 그런 다음 젤을 녹여 높이 14㎜, 지름 8㎜의 미니 심실을 완성했다. 이는 실제 인간 심실의 6분의 1 크기다.

연구진은 “심실은 3D 프린팅한 지 1주일 후부터 박동을 시작해 100일 지난 후에도 박동을 계속했다”고 밝혔다. 연구진은 또 실제 심장과 마찬가지로 자극을 주면 더 빨리 박동하게 할 수 있다는 사실도 확인했다. 실험에서는 자극을 준 결과 인공 심실의 박동 빈도가 분당 28회에서 41회로 증가했다.

2019년 이스라엘 텔아비브대 연구진이 3D 프린팅으로 만든 인공 심장. 혈관구조까지 갖췄지만 박동은 하지 못했다. Advanced Science

다음 단계는 ‘혈관도 있는 인공심장’ 프린팅

2019년 이스라엘 텔아비브대 과학자들이 인체 세포를 이용해 심실과 심방, 혈관 구조까지 다 갖춘 체리 크기의 미니 인공 심장을 3D프린팅한 적은 있으나 박동까지 한 것은 이번이 처음이다. 당시 연구진이 미니 심장을 만드는 데는 4시간이 걸렸다.

연구진은 이번 연구의 성공이 4개의 심실과 심방을 모두 갖춘 인공심장을 3D 프린팅하는 기반이 될 수 있을 것으로 기대했다.

그러나 실제로 작동할 수 있는 인공 심장을 만들기까지는 풀어야 할 숙제들이 많다. 무엇보다 지금의 3D프린팅 심장에는 혈관이 없다. 인공 심장이 성공하려면 산소와 영양분을 공급해줄 수 있는 혈관이 있어야 한다. 연구진은 다음 단계로 혈관 세포가 포함된 두번째 잉크를 추가해 인공 심장 안에서 혈관이 자랄 수 있도록 할 계획이라고 밝혔다.

작동하는 인공 심장을 만들었더라도 실제 사람의 심장 만한 크기로 만드는 데는 또 다른 어려움이 있다. 예컨대 수십억개의 세포가, 그것도 심장을 구성하는 다양한 유형의 세포가 필요하다. 시간과 비용이 상당히 들어가는 작업이다. 그 기간 동안 세포들이 온전하지 못할 가능성이 있다.

그럼에도 연구자들은 3D 바이오프린팅이 결국엔 장기 기증이 필요 없는 세상을 열 수 있을 것으로 기대한다. 인공 심장 연구자인 이스라엘 텔아비브대 탈 드비어 교수(조직공학 및 재생의학)는 <포천>에 “낙관적 견해이긴 하지만 20년 이내에 3D 프린팅 장기를 볼 수 있을 것으로 생각한다”며 “이는 현실 과학이며 공상 과학이 아니다”라고 말했다.

*논문 정보

https://doi.org/10.1101/2023.06.12.544557

Direct 3D-bioprinting of hiPSC-derived cardiomyocytes to generate functional cardiac tissues.

곽노필 선임기자 nopil@hani.co.kr