[대학혁신의 현장을 가다③-네덜란드 위트레흐트 대학] 눈부신 융합연구 시스템…뇌 과학 혁신 이끌다
[대학혁신의 현장을 가다③-네덜란드 위트레흐트 대학] 눈부신 융합연구 시스템…뇌 과학 혁신 이끌다
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김정인 중앙대 경제학부 교수
▲ 김정인 교수

오늘날 재생 의학에서 가장 중요한 임상 연구개발 중 하나는 연골이나 뼈와 같은 자연 조직의 구조를 모방할 수 있도록 살아있는 세포로 3D프린팅한 기관을  인공 이식 하는 것이다. 이로 인해 연골이 손상된 환자가 현재의 치료법보다 훨씬 빨리 회복할 수 있게 된다. 이미 인공 턱뼈, 보청기 등 의료 분야에서 3D 프린터는 개인에게 꼭 맞는 제품을 보다 저렴하고 빠르게 제작할 수 있게 됐다.

인간의 몸을 이루는 조직 중 일부를 3D프린터로 인쇄하는 ‘바이오 프린팅’에 대한 연구가 적극적이다. 뼈가 부러지는 부상을 당해도 3D프린팅 기술로 치료하는 의학 기술이 나올 것으로 예상된다. 약도 3D프린터로 제조될 전망이다. 2015년 8월3일 미국 식품의약청에서는 3D 프린터로 만든 약을 처음으로 허가하기도 했다. 승인 받은 약은 간질 치료의 보조요법으로 처방되는 아프리시아사 ‘스프리탐’은 약에 미세한 구멍이 아주 많아 한 모금의 액체만 있어도 빠르게 분해돼 약의 섭취가 원활하도록 도움을 준다.

네덜란드 위트레흐트 대학 의료 센터의 외과 의사들은 3D 프린트 된 두개골을 활용해 일반 환자들 보다 평균 3배 정도 두개골이 두꺼운 여성 환자를 살렸다. 이 환자의 두꺼워지던 두개골은 두뇌 압력을 가해 왔으며 이미 환자의 시력을 잃게 만들었다. 심지어 운동 능력까지 상실하게 됐다.

▲ 3D 프린터로 만들어 낸 두개골의 모습(사진= CIO 홈페이지)

위트레흐트대는 2015년부터 세계 최초로 바이오 가공(Biofabrication) 석사과정을 개설했다. 이곳에서는 화학·물리·생물·의학·공학·컴퓨터 분야가 합쳐진 종합적 학문을 배우게 되며, 3D 바이오 프린팅과 관련된 조직생산 기술을 연구한다. 위트레흐트대는 오랜 기간 동안 손상되거나 병든 뇌 분야의 연구로도 유명할 뿐만아니라 뇌 발달을 위한 자료 축적이 풍부하다.

이 과정의 발전을 위해 △위트레흐트대 의대 △뷔르츠부르크대(독일) △퀸즐랜드공과대(호주) △울런공대(호주)가 컨소시엄을 구성했고, 유럽연합(EU)과 호주 정부로부터 약 8억7000만원의 보조금을 지원 받았다. 학생들은 첫 해에 위트레흐트대에서 공부하고, 다음 해에 컨소시엄을 맺은 호주의 대학에서 추가적인 학위를 취득할 수도 있다. 또한 위트레흐트대에서는 석사과정과는 별개로, 3D프린팅과 바이오가공에 관심이 많은 학생들을 위해 1주일 과정의 여름학기 수업을 운영하고 있다.

힌편 2017년 5월에 위트레흐트대와 이 대학 의대는 오직 인간의 뇌만 연구하는 'MIND' 연구시설을 세웠다. 이는 신경 분야 최고의 전문가들이 줄기세포(stem cell) 기술을 이용해 2D, 3D 차원의 인간 신경 세포를 혁신적으로 연구를 하는 곳이다. MIND의 설립은 Brain Center Rudolf Magnus(BCRM) IPSC Facility와 Biology Imaging Center가 중심이 돼 설립한 것이다.

MIND의 연구자들은 오가 노이드(organoids)로 알려진 인간 줄기 세포에서 자란 3D 뇌 조직을 사용해 뇌를 연구한다. 실험실 기반의 기술을 사용해 줄기 세포를 모발과 혈액 또는 피부 세포에서 추출할 수 있으며, 줄기 세포는 자연 환경과 유사한 조건에 배치하여 모든 종류의 조직으로 발전시킬 수 있다. 또한 3D 뇌 조직을 만들기 시작하여 발달 과정을 연구할 수도 있게 됐다. 이미 위트레흐트대 신경 공학 연구팀은 하이드로 젤과 3D 바이오 프린팅을 통해 토끼 어깨를 인공 이식한 바 있다.

이 대학은 올해부터 'Dynamics of Youth'라는 합동 연구를 시작한다. 연구의 핵심은 생후 1001일 동안이 언어, 인지발달 등 아이에게 가장 중요한 기간이라는 점이다. 동 연구에는 네덜란드 소아 정신 연합과 심리학회, 교육학회 등이 참여한다.

▲ 3D프린터를 활용한 부목과 이 부목으로 치료받는 아기(사진= Michigan Medicine)

향후에는 4D 프린팅 기술도 개발돼 이용될 것이다. 미시간대학에서는 3D프린터를 활용하여 기관지 연화증을 앓던 18개월 된 아기를 구했다. 이 치료법은 미시간대 모트 아동병원 소아이비인후과 글랜그린 교수팀이 처음 시도했다. 아기는 호흡기인 기관지에 압박이 있어 숨을 쉬기 어려웠고, 수술 일주일 전까지 아이가 숨을 쉴 수 있게 누군가가 옆에서 24시간 내내 도와줘야 했을 정도로 상태가 좋지 않았다. 부목을 아이의 기관지 CT스캔을 바탕으로 3D모델링으로 디자인하여 그 모양 그대로 출력했다. 정밀한 3D프린터 덕분에 1mm의 오차도 없이 아이에게 꼭 맞는 맞춤형 부목이 완성된 것이다.

CT스캔과 CAD 소프트웨어를 활용해서 개럿의 기도 3D 모델을 만들고 기관지에 맞는 맞춤 부목을 설계했다. 이 부목은 파우더 재료(이번 사례에서는 생체 흡수성 막 혼합물)가 레이저를 통해 가열되는 3D 기술인 선별적 레이저 소결 기술로 만들어졌다. 더 놀라운 것은 시간이 흐르면서 부목의 모양이 스스로 변한다는 점이다.

치료는 손상된 기도를 잡고 열어주는 것인데 계속 열린 상태로만 있어도 문제가 생긴다. 처음에 부목은 기도를 열려있게 하고, 시간이 지날수록 부목의 아랫부분이 열리게 돼 기도가 성장할 수 있게 하도록 했다. 몇 년 후에는 부목이 저절로 녹아서 없어지게 된다. 기도 부목은 폴리카프로락톤(PCL)로 이루어져 있는데, 평균 3년 정도 시간이 흐르면 몸 안에서 분해된다. 세포조직 순환과정에서 몸 속 수분이 부목을 분해하여 서서히 녹아들다가 마침내는 사라지는 것이다.

이렇게 3D 프린팅에 소재공학이 융합된 새로운 개념의 기술을 4D 프린팅이라 한다. 소재 변화를 미리 예측하는 것이다. 이런 소재는 물에 잘 녹는 성질의 분자량을 조절할 수 있어 부목이 몸에 흡수되는 기간을 조절할 수 있다. 지난 4년 동안 9명의 기관지연화증의 아이들이 4D프린팅 부목을 이식받았다고 한다.

또한 4D 프린팅 기술은 시간의 흐름에 따른 아이들의 성장을 예상할 수 있다. 어른들은 더 성장하지 않기 때문에 몸의 변화가 없어서 필요하지 않지만, 4D프린팅 기술은 아이가 자라는 속도에 맞춰 만들 수가 있어서 아이들에게는 아주 중요한 부분이다. 무한한 이용이 가능한 프린팅 기술임으로 한국도 대학 간이나 대학 내에서 조속히 융합하는 시스템을 만들 필요가 있다. 실천하고 협동 하는 혁신이 필요한 때다.    


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