남인철 인천성모병원 교수(오른쪽에서 2번째)가 동종 성체줄기세포 기반 3D 바이오프린팅 인공 기관 이식 수술을 하고 있다. 가톨릭중앙의료원 제공.

국내 연구팀이 세계 최초로 타인의 성체줄기세포를 기반으로 한 난치성 기관 결손 환자용 맞춤형 3D 바이오프린팅 인공 기관(trachea) 이식에 성공했다. 수술 후 6개월 추적 관찰을 통해 성공적인 생착도 확인했다. 

가톨릭중앙의료원은 김성원 가톨릭대 의대 이비인후과 교수 연구팀이 이진우 가천대 교수, 바이오기업 티앤알바이오팹과 공동연구를 통해 지난해 8월 동종 성체줄기세포 기반 3D 바이오프린팅 인공기관을 성공적으로 이식했다고 7일 밝혔다. 남인철 인천성모병원 교수, 조동우 포스텍 교수도 참여했다. 

연구팀은 지난 20년간 연구가 이뤄진 성체줄기세포 기반 환자 맞춤형 3D 바이오프린팅 인공기관을 실제 임상에 적용했다. 서울대교구 가톨릭세포치료사업단 서울성모병원 바이오의약품 GMP 세포생산실의 엄격한 바이오의약품 품질관리 공정을 통해 실제 성체 줄기세포·연골세포를 바이오 프린팅해 3차원 맞춤형 인공 기관을 제작한 뒤 이를 난치성 기관 결손 환자에게 이식한 것이다.  

기관은 기도의 제일 윗부분으로 목에서 흉부까지 연결된 튜브 형태의 구조물이다. 공기의 유출입과 기관지 속 분비물 배출 통로인 기관에 갑상선암, 두경부암, 선천적 기형, 외상 등이 생기면 좁아지거나 손상이 일어날 수 있다. 기관 삽관술과 절개술을 받은 환자는 기관 협착이 잘 발생하며 두경부암 수술 과정에서 같이 제거돼 기관 결손이 발생하기도 한다.

기관은 이전 상태로 완벽히 복원할 수 없다. 기관 골격 구조 재건과 기능 유지 재건 방법이 절실히 요구되고 있지만 아직 대체 치료법이 없는 상태다. 

연구팀은 난치성 기관 결손 환자들을 위해 타인의 성체줄기세포, 생체재료, 정밀 공학기술을 접목한 세계 최초 첨단바이오융복합제제 ‘사람 신경능 유래 코 줄기세포 기반 바이오잉크를 활용한 3D 바이오프린팅 호흡기도 재생 임상 실용화 연구’를 진행했다. 

이 연구는 살아있는 세포를 실제 장기·구조와 유사하게 세포 프린팅해 활성화된 이식용 장기와 조직을 만드는 3D 바이오프린팅 방법이다. 생체고분자를 이용해 외형이 유사한 인체 장기 모사체를 만들어 수술 시뮬레이션을 하거나 의치·보청기 등 외형을 제작하고 인체 이식용 의료기기를 제작하는 기존 3D 프린팅과는 다르다. 

연구팀은 코막힘 증상 치료를 위해 자주 시행되는 ‘코 하비갑개 수술’ 과정에서 폐기되는 인체 조직을 재활용해 새로운 기능성 성체줄기세포 공급원으로 사용했다. 초자연골(가장 흔한 연골) 재생을 위한 연골세포 역시 코중격 수술 과정에서 폐기되는 인체 연골조직으로부터 분리·배양했다.  

실제 인체에 이식하는 임상 실용화 과정은 다양한 연구진 및 연구기관의 협력체계와 장기 목표 공유를 통해 성공했다. 줄기세포 연구진, 생체재료 전문 연구진, 정밀한 3D 프린팅 가공 기술을 보유한 공학자, 새로운 첨단바이오의약품 임상 실용화 과정에 특화된 규제과학 연구진, 첨단바이오의약품의 GMP 공정과 품질관리 전문 연구진, 환자 진료와 수술을 담당하는 이비인후과·외과 다학제간 협력 연구진 등이 참여했다. 

김성원 교수는 “이번 이식의 성공은 살아있는 타인의 성체줄기세포를 실제 3D 세포 프린팅하는 바이오프린팅 정밀공학기술을 적용해 개발된 세계 최초의 인공 인체 장기 이식 임상시험 성공 사례”라며 “환자 맞춤형 3D 바이오프린팅 인공 장기 이식 실용화 기술 발전에 토대를 이루고 각종 난치성 질환에 대한 첨단바이오의약품 개발 과정에도 큰 역할을 할 것”이라고 말했다.