세계 최초 동종 성체줄기세포 기반…3D 바이오프린팅 인공 기관 이식 성공

가톨릭대학교 의과대학 김성원 교수 연구팀, 난치성 기관 결손 환자용 맞춤 3D 바이오프린팅 인공 기관 개발 및 이식 성공

동종 성체줄기세포 기반 3D 바이오프린팅 인공 기관 이식 수술(오른쪽 인천성모병원 남인철 교수

가톨릭대학교 의과대학 김성원 교수 연구팀이 작년 8월 세계 최초로 타인의 성체줄기세포를 기반으로 한 난치성 기관 결손 환자용 맞춤형 3D 바이오프린팅 인공 기관(trachea)을 이식했고, 수술 후 6개월의 추적 관찰 결과 성공적인 생착을 확인했다.

이번 첨단재생의료 임상 연구는 가톨릭대학교 서울성모병원(이비인후과 김성원 교수, 박선화 박사, 갑상선내분비외과 배자성 교수)의 주도로 가천대학교(이진우 교수)와 주식회사 티앤알바이오팹(윤원수 대표, 김인호 박사)의 공동연구로 진행되었고, 가톨릭대학교 인천성모병원(이비인후과 남인철 교수)과 포스텍(조동우 교수)이 참여했다.

약 20년간 수행된 이번 연구는 성체줄기세포 기반 환자 맞춤형 3D 바이오프린팅 인공 기관을 실제 임상에 적용하는 임상 실용화 연구로서, 서울대교구 가톨릭세포치료사업단 서울성모병원 바이오의약품 GMP 세포생산실의 엄격한 바이오의약품 품질관리 공정을 통해 실제 성체 줄기세포/연골세포를 바이오 프린팅하여 3차원 맞춤형 인공 기관을 제작한 뒤, 이를 난치성 기관 결손 환자에게 이식하여 치료를 진행한 세계 최초의 연구 개발 및 임상시험이다.

호흡과 밀접한 연관이 있는 기관(trachea)은 기도의 제일 윗부분으로 목에서 흉부까지 연결된 튜브 형태의 구조물로, 공기의 유입과 유출이 이루어질 뿐만 아니라 기관지 속 분비물을 배출하는 통로가 되기도 하며, 갑상선암을 비롯한 두경부암, 선천적 기형, 외상 등으로 인해 좁아지거나 손상이 발생할 수 있다.

또한 중환자실 치료를 위한 기관 삽관술과 절개술을 받은 환자는 기관 협착이 잘 발생하며, 두경부암 수술 과정에서 같이 제거되어 기관의 결손이 발생하기도 한다.

이에 대한 기존의 치료 방법은 수술이 복잡하고 위험할 뿐만 아니라, 이전 상태로 기관를 완벽히 복원할 수 없어서, 기관 골격 구조 재건과 동시에 기관 기능을 유지할 수 있는 재건 방법이 절실히 요구되고 있지만 현재까지 대체 치료제가 없는 난치성 질환이다.

이러한 난치성 기관 결손 환자들을 위해 진행된 타인의 성체줄기세포와 생체재료 및 정밀 공학기술을 접목한 세계 최초의 첨단바이오융복합제제인 ‘사람 신경능 유래 코 줄기세포 기반 바이오잉크를 활용한 3D 바이오프린팅 호흡기도 재생 임상 실용화 연구’는 생체고분자를 이용하여 외형이 유사한 인체 장기 모사체를 만들어 수술 시뮬레이션을 하거나, 의치나 보청기 등의 보장구의 외형을 제작하고 인체 이식용 의료기기를 제작하는 기존의 3D 프린팅과는 달리, 살아있는 세포를 실제 장기/조직의 구조와 유사하게 세포 프린팅 함으로써 활성화된 이식용 장기와 조직을 만드는 3D 바이오프린팅 방법으로 지금까지 존재하지 않았던 환자 이식용 인공 기관을 제작하여 환자에게 이식한 것이다.

이번 연구에서는 코막힘 증상의 치료를 위해 다빈도로 시행되는 ‘코 하비갑개 수술’ 과정에서 폐기되는 인체 조직을 재활용하여 새로운 기능성 성체줄기세포 공급원으로 사용하였고, 초자연골 재생을 위한 연골세포 역시 코중격 수술 과정에서 폐기되는 인체 연골조직으로부터 분리 배양하여 사용했다.

실제 인체에 이식하는 임상 실용화 과정은 해당 성체줄기세포를 연구하는 줄기세포 연구진과 생체재료 전문 연구진, 정밀한 3D 프린팅 가공 기술을 보유한 공학자, 새로운 첨단바이오의약품의 임상 실용화 과정에 특화된 규제과학 연구진, 첨단바이오의약품의 GMP(Good Maunfacturing Practice, 우수의약품제조관리기준) 공정과 품질관리 전문 연구진과 더불어, 실제 환자의 진료와 수술을 담당하는 이비인후과와 외과의 다학제간 협력 연구는 물론 각 연구기관 간 협력체계 구축과 장기적인 목표를 공유함으로써 성공할 수 있었다.

동종 성체줄기세포를 활용한 인공기관 이식을 위해 식품의약품안전처의 연구자주도 임상시험계획서(investigational new drug, IND) 승인(2021년 3월)과 첨단재생의료 임상연구 승인(2022년 1월)을 모두 획득하여 안전성과 유효성에 대해 사전 검증을 받았고, 2021년부터 시행된 ‘첨단재생의료 및 첨단바이오의약품 안전 및 지원에 관한 법률’에 근거한 보건복지부 및 한국보건산업진흥원의 지원으로 ‘첨단재생의료 임상연구지원사업’이 수행되었다.

이번 첨단재생의료 임상 연구는 2003년부터 시작한 사람 신경능 유래 코 줄기세포의 분리·배양 및 분화능 등의 특성 연구를 기반으로 한 각종 인체 조직 재생 연구에서 발전되었다. 본 연구팀이 진행하였던 ‘호흡 기도(기관, Trachea) 재생을 위한 환자 맞춤형 바이오프린팅 기관 실용화 임상연구’는 2004년 사람 코에서 유래한 성체줄기세포와 연골세포를 기반으로 한 3D 바이오프린팅 연구의 형태로 가톨릭대와 포스텍 연구진의 공동연구로 시작되었으며, 2005년 포스텍-가톨릭대 의생명공학연구원이 설립되면서 해당 분야의 연구가 활성화되었다.

2014년 보건복지부 및 한국보건산업진흥원에서 지원하는 첨단의료기술개발사업(바이오프린팅 실용화 기반 기술개발)을 통해 가톨릭대학교 서울성모병원, 가천대학교, 포스텍과 (주)티앤알바이오팹 공동연구팀이 정부의 지원 하에 본격적으로 연구를 수행했다.

김성원 교수는 “이번 이식의 성공은 살아있는 타인의 성체줄기세포를 실제 3D 세포 프린팅하는 바이오프린팅 정밀공학기술을 적용하여 개발된 세계 최초의 인공 인체 장기 이식의 임상시험 성공 사례로, 환자 맞춤형 3D 바이오프린팅 인공 장기 이식 실용화 기술 발전에 토대를 이루며, 향후 추가로 진행될 각종 난치성 질환에 대한 첨단바이오의약품의 개발 과정에서도 큰 역할 할 것이다”라고 밝혔다.

강석봉 기자 ksb@kyunghyang.com