독소 걸러주고 면역거부 No…진짜 같은 인공신장 나온다

미국 연구진, 인간 신장세포 담은 생체공학 인공신장 개발
면역거부 반응 생기지 않도록 나노기공 박막으로 세포 보호
돼지에 이식해 신장기능, 면역거부 반응 문제없음을 확인

미국 샌프란시스코 캘리포니아대 슈보 로이 교수와 연구원이 생체공학 인공 신장을 테스트하고 있다. 샌프란시스코 캘리포니아대학 제공

인간 신장세포와 실리콘 나노기공 박막으로 만든 생체공항 인공 신장. 출처:네이처 커뮤니케이션스

생체공학 인공신장의 내부 구조. 출처:네이처 커뮤니케이션스

신장 이식을 기다리면서 힘들게 투석을 받는 신장질환 환자들이 기다려온 기술이 개발됐다. 사람의 신장세포를 심어서 실제 신장처럼 노폐물과 독소를 걸러내면서 면역 거부반응은 없는 생체공학 인공 신장 기술이 개발됐다. 연구진은 이 인공 신장에 대해 전임상 및 파일럿 연구를 하는 단계로, 수년 내에 사람을 대상으로 하는 임상시험을 거쳐 상용화한다는 계획이다.

미국 샌프란시스코 캘리포니아대 슈보 로이 교수와 반더빌트대학 메디컬센터 윌리엄 피셀 교수가 이끄는 '키드니 프로젝트(The Kidney Project) 연구팀은 인체에 이식해서 신장을 대체할 수 있는 생체공학 신장을 개발했다. 생체공학 인공신장은 투석과 신장 이식이 유일한 희망인 신장질환자들에게 영구적인 해결책이 될 수 있다.

세계적으로 말기 신장질환으로 치료를 받는 환자는 200만명이 넘는다. 당뇨병과 고혈압 환자 증가로 인해 발병률이 계속 증가하고 있다. 이들 환자는 신장 이식을 받으면 5년 생존율이 80%가 넘지만 평생 면역 억제로 인해 합병증이 발생할 수 있으며 이식 거부반응 우려도 있다. 신장 이식 공급은 수요를 절대적으로 못 따라가는 상황으로, 미국에서만 매년 2만 건 넘는 신장 이식이 이뤄지고 있다. 장기 대기자 중 실제 이식을 받는 비율은 20%가 안 된다. 이로 인해 50만명에 달하는 미국 말기 신장질환 환자들이 주 3회, 몇 시간씩 이뤄지는 혈액 투석에 의존하고 있다. 이들의 5년 사망률은 60%에 달한다.

이런 한계를 극복하기 위해 신장 대체 요법에 대한 관심이 높아지고 있다. 신장세포를 활용해 완전한 기능을 갖춘 대체 신장을 만들거나, 웨어러블 인공 신장투석장치를 개발하는 시도가 이뤄지고 있다. 또 세포와 인공 재료를 사용해 세뇨관과 사구체의 기능을 각각 재현하는 바이오 하이브리드 장치를 활용한다. 이전에 인간 신장상피세포(HREC)를 포함하는 체외 신장세뇨관 보조장치(RAD)를 사용한 성공 사례가 보고된 적도 있다.

키드니 프로젝트는 신부전증 치료를 위한 이식용 생체공학 신장을 개발하는 미국 국가 프로젝트다. 연구진은 미국 NIBIB(국립생의학영상 및 생체공학연구소)로부터 2015년부터 600만달러를 지원받아 연구를 해 왔다.

국제학술지 네이처 커뮤니케이션스에 보고된 최신 연구에서 연구진은 사람의 신장세포를 심어서 만든 생체공학 인공 신장을 돼지 체내에 이식해서 테스트한 결과 최장 7일간 신장세포가 문제 없이 생존하고 중요한 신장 기능을 해낸다는 사실을 확인했다. 결정적으로 이 장치는 면역거부 반응을 일으키지 않았다.

연구진이 만든 인공 신장은 신장세포가 들어있는 바이오 반응장치(바이오리액터)로, 신장에서 소변을 만드는 역할을 하는 신장 세뇨관의 주요 기능을 모방하는 한편 신장세포에 산소와 영양성분을 보내주는 기능을 구현했다. 여기에다 면역 거부반응을 일으키는 면역세포로부터 신장세포를 보호할 수 있게 설계됐다.

연구진은 특히 면역반응을 일으키는 면역세포의 공격으로부터 신장세포를 보호하기 위해 10나노미터 폭의 기공이 있으면서 두께가 1마이크로미터가 안 되는 실리콘 나노기공 박막(SNM·silicon nanopore membrane)을 만들었다. 이 박막의 양쪽에 인간 신장상피세포(HREC)를 배양했다. 또 이 박막이 면역 보호 장벽 역할을 하는지 테스트하기 위해 시험관 안에서 박막 한쪽 면을 염증성 사이토카인 TNF-α에 노출시켰다.

노출 6시간 후 확인한 결과 실리콘 나노기공 박막의 보호를 받은 부분의 TNF-α 수치는 무시할 수 있는 수준이었다. 이는 10나노미터 기공보다 크기가 큰 사이토카인이 기공을 통과할 수 없었기 때문이다. 마찬가지로 크기가 큰 T세포나 항체도 기공을 통과할 수 없다. 반면 TNF-α에 직접 노출된 쪽의 세포는 생존율이 50% 미만이었다. 실리콘 나노기공 박막으로 밀봉된 세포는 90%에 가까운 높은 생존율을 유지했다.

연구진은 장치가 혈액과 접촉하는 표면에 혈전이 생성돼 장치 고장이나 환자 합병증으로 이어지지 않도록 전산 유체역학을 사용해 인공 신장을 통과하는 U자형 혈류 경로의 형상을 최적화했다. 이렇게 만든 생체공학 인공 신장의 생체 적합성을 테스트하기 위해 건강한 돼지 5마리에 이식했다. 장치를 돼지 혈관계와 연결해 작동시켜 본 결과 거부반응이나 합병증이 발생하지 않았으며, 최대 7일간의 실험 기간 동안 거부반응 없이 건강한 상태를 유지했다. 7일은 일반적으로 초급성 거부반응이 발생하는 기간이다.

인간 세포가 들어있는 장치를 이식하면 돼지에게 면역 반응이 유발되는지 확인하기 위해 염증성 바이오마커 수준을 검사한 결과, 수술 후 염증으로 인해 예상대로 이식 이틀 후 일부 사이토카인이 증가한 것으로 나타났다. 그러나 이식 후 7일이 지나자 모든 사이토카인 수치가 최소한의 염증 상태로 감소했다.

이후 돼지에서 장치를 떼어내 실리콘 나노기공 박막을 관찰한 결과 세포와 단백질 부착문제가 없고 장치에 혈전도 형성되지 않았음을 확인했다. 또 캡슐화된 신장상피세포가 90% 이상 생존해 있고 세포 상태도 문제가 없었다.

로이 교수는 "이번 연구결과 생체공학 인공 신장을 이식해도 면역억제제가 필요하지 않음을 확인했다"면서 "사람 신장 규모로 장치를 만들고 기술을 상용화하기 위한 후속연구를 이어갈 계획"이라고 말했다. 안경애기자 naturean@dt.co.kr