3D 바이오프린팅은 3D 프린팅과 생명공학이 융합된 기술로서, 살아 있는 세포를 원하는 형상으로 쌓아 올려 생체조직이나 인공장기를 제작할 수 있는 기술이다. 3D 바이오프린팅 기술을 활용해 질병을 극복하고, 손상된 조직을 치료하며, 신약개발 과정에서 약물에 대한 안정성 및 유효성 평가에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.

POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환)과 서울대학교병원에서 최초로 잉크젯 바이오프린팅 기술을 이용해 방광암 종양 모델을 제작하고 종양 내 이질성을 분석하는 데 최근 성공했다.

POSTECH 창의IT융합공학과 정성준 교수, 생명과학과 신근유 교수, 융합생명공학부 통합과정 윤웅희씨 연구팀은 서울대학교병원 구자현 교수와 공동연구를 통해 고정밀 잉크젯 기술을 이용하여 실제 환자로부터 얻은 암세포를 정밀하게 프린팅해 방광암 종양 모델을 제작했다. 또한, 이를 이용하여 암의 이질성 분석, 항암제 효과검증에 성공함으로써 새로운 암정밀 의료 프로세스를 제안했다. 이 연구성과는 국제학술지 ‘바이오패브리케이션(Biofabrication)’에 최근 게재됐다.

정밀의료(Precision Medicine)는 유전정보나 임상정보 등을 바탕으로 개별 환자에게 맞춤형 진단과 치료를 적용하는 새로운 헬스케어 분야다. 특히 암 환자의 경우, 동일조직 내에서조차 서로 다른 특성을 가진 암세포들이 공존하는 종양 내 이질성(Intra-tumor heterogeneity)*1을 가지고 있어 현재의 ‘획일적인(one-size-fits-all)’ 치료방식에는 한계가 많다. 또한, 약물 부작용이나 항암제 내성 등 개개인에게 제각기 다른 영향을 끼쳐 치료를 힘들게 하는 원인이 된다.

연구팀은 잉크젯 세포 프린팅 방식을 이용하여 방광암 모델을 만들고, 이를 이용한 암 이질성을 분석하는 연구를 수행했다. 특히, 환자에게서 뽑아낸 암세포를 잉크젯 방식으로 정밀하게 프린팅해 각각을 암 오가노이드*2로 성장시켰다.

이후 단일 세포에서 유래된 3차원 오가노이드의 분열·사멸과 관련된 단백질의 발현량을 비교하고, 각 오가노이드에 따른 방광암 치료제의 효능에 대한 차이점을 발견했다. 또한, 오가노이드 사이의 유전자 발현을 정량적으로 비교하여 암의 이질성을 확인했다.

이제껏 바이오프린팅 기술을 활용하여 인공 뼈, 치과 보철, 인공 혈관, 인공 피부, 인공 장기, 바이오 칩 등 다양한 인공 대체물을 제작했지만, 실제 환자의 암세포를 활용하여 ‘암 덩어리’를 만들고 암 이질성을 분석해 낸 사례는 이번 연구가 처음이다. 이렇게 만들어진 암 모델을 이용하면, 환자에게 맞는 약이나 치료법을 먼저 시도할 수 있고 부작용을 최소화할 수 있다. 뿐만 아니라 개별 환자에 특화된 표적 치료를 제공함으로써 현행 치료의 한계를 극복할 수 있을 것으로 기대된다.

연구를 주도한 정성준 교수는 “바이오프린팅 기술에 바탕을 둔 정밀의료 기술은 획일적인 암 치료법에서 발생하는 부작용과 낭비를 최소화하고, 저비용으로 환자의 삶의 질을 높일 수 있을 것”이라며 기대감을 드러냈다.

한편, 이 연구는 경상북도 4차산업혁명 핵심기술개발사업, 과학기술정보통신부 중견연구자지원사업, 해양극지기초원천기술개발사업의 지원으로 수행됐다.