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1. 조직공학 기술의 현재와 미래
1.1. 조직공학의 정의 및 발전 과정
조직공학(Tissue Engineering)은 생체조직공학이라고도 불리며 생명과학, 의학공학의 기본개념과 기술을 바탕으로 생물학적 조직을 개선하거나 대체하기 위해 세포, 공학 및 재료방법과 적절한 생화학 및 물리 화학적 요소의 조합을 사용해 생체조직의 대용품을 만들어 이식함으로써 생체기능의 유지 향상 및 복원을 가능하게 하는 것이 목표인 학문이다. 1980년 미국 매사추세츠공과대학(MIT)에서 화상 환자를 위한 인공피부가 처음으로 제작되면서 새로운 학문의 한 분야로 인정받기 시작하였다. 완벽하게 활성화되어 있지 않은 미개척 분야이지만 2003년 4월에 완성된 인간게놈지도와 체세포 복제 등을 통한 복제인간 연구 등의 성과를 바탕으로 인간의 질병 치료는 물론 손상된 조직 및 장기의 항구적이고 완전한 대체를 통해 생명을 연장시키는 방법이 활발히 모색되고 있다.
1.2. 조직공학 기술의 의료산업 활용
1.2.1. 자가이식
자가이식은 환자 자신의 어느 부위를 다른 부위에 이식하는 것으로, 예를 들면 화상을 입은 부위에 자신의 다른 부위의 피부를 이식하는 것, 모발이식 그리고 요즘은 자신의 지방을 이용한 성형 등이 있다. 장점으로는 환자 자신의 피부세포를 이식하기 때문에 적용 즉시에 생착이 가능하며 7일 이내 표피의 전층을 구성하게 되고 6개월~1년 후에는 진피층 및 표피층의 경계가 뚜렷해지며 2.5년~5년 후에는 정상피부와 같이 복원될 수 있다. 대부분 겨드랑이나 사타구니에서 피부를 채취하고 이를 피부세포 배양을 통해 원하는 만큼 배양하여 상처부위에 이식하는 방법이다. 자가 세포는 거부 및 병원체 전염에 대한 문제가 가장 적지만, 경우에 따라 사용하지 못할 수도 있다. 예를 들어, 유전병에서는 적절한 자가 세포를 사용할 수 없다. 또한, 심한 화상을 입은 환자뿐만 아니라 매우 아픈 사람이거나 노인은 유용한 세포 라인을 확립하기에 충분한 양의 자가 세포를 가지고 있지 않을 수 있다. 더욱이, 이 범주의 세포는 환자로부터 채취되어야 하기 때문에, 제공부위 감염 또는 만성 통증으로 이어질 수 있는 부작용이 있을 수 있고 이에 대한 수술의 필요성과 관련된 일부 우려가 있다.
1.2.2. 동종이식
동종이식은 다른 사람에게서 조직 기관 등을 이식하는 것으로 우리가 아는 장기기증 이식 등이 속한다. 이식 가능한 조직은 아주 다양하고 면역억제제 개발로 현재 많이 사용되고 있다. 동종세포는 같은 종의 공여자의 몸에서 나온다. 체외 연구를 위한 인간 세포의 사용에 윤리적인 제약이 있지만 사람의 표피에서 나온 피부 섬유아세포의 고용은 면역학적으로 안전하고 따라서 피부의 조직 공학을 위한 실행 가능한 선택인 것으로 입증됐다. 장기이식을 살펴보면 장기는 기증자의 상태에 따라 생체장기와 뇌사장기로 구분된다. 생체 장기란 살아 있는 사람의 기증한 신장이나 간을 말하며 대부분 가족끼리 주고받는다. 뇌사 장기는 뇌사자가 기증한 신장, 간, 췌장, 심장, 폐를 말한다. 가족끼리라도 장기가 적합하지 않아 이식이 불가능할 경우에는 뇌사 장기를 이식받을 수밖에 없다. 장기를 이식 받았다고 하더라도 부작용이나 합병증이 올 수 있다. 남의 장기이므로 이식받은 장기에 대한 거부 반응이 나타난다. 몸속의 서로 다른 항체(면역제)가 서로 세균이라 생각해 공격하게 된다. 이런 거부 반응을 억제하기 위해 평생 면역억제제를 투여해야 한다. 이렇게 장기를 이식받는 것은 생명을 구하는 이점과 면역 거부로 인한 단점 등 득과 실이 분명하지만 장기이식대기자는 매년 증가하고 있고 우리 사회에서 없어서는 안될 의료기술로 자리 잡고 있다.
1.2.3. 이종이식
이종이식은 종이 다른 동물들의 기관을 이식하는 것으로, 돼지가 사람과 장기의 크기와 비슷하고 유전자배열도 유사하여 인체에 이식될 가능성이 가장 큰 동물로 평가되고 있다. 하지만 아직 면역체계의 거부반응으로 만족스러운 결과를 내지 못하고 있다. 이종장기이식은 사람에게서 장기를 기증받는 것과 비교했을 때 기증자에 대한 심리적, 윤리적 부담감이 적다. 게다가 무한한 장기 공급처가 될 것으로 전망할 수 있다. 그러나 이종이식의 가장 큰 문제점은 '면역거부반응'이다. 이에 따라 연구 동향은 면역거부반응을 해결하는 쪽으로 흘러갔다. 2000년대 전후로 영국과 미국의 몇몇 바이오 기업이 사람의 몸에서 거부반응을 일으키는 유전자를 인위적으로 제거한 '형질전환 돼지'를 탄생시키면서 정체됐던 연구가 새로운 국면을 맞게 되었다. 현재 우리나라에서도 이종이식 임상시험 계획안이 국제 전문가들로부터 긍정적 평가를 받고 있으며, 특히 돼지의 장기 췌도가 주목받고 있어 당뇨병 환자의 인체 이식용으로 주목받고 있다. 이와 같이 이종이식 기술이 점차 발전하고 있지만, 여전히 면역거부반응 문제를 완벽하게 해결하지 못하고 있다.
1.2.4. 인공소재 및 장치
인공소재 및 장치는 인간의 생체조직이나 기관을 대체하기 위해 인공적으로 만들어진 재료 및 장치를 의미한다. 조직공학 및 재생의학 분야에서 다양한 3D 프린팅 기술을 이용하여 임플란트 제작, 스캐폴드 제작, 인공장기 제작 등에 응용되고 있다.
인공관절, 인공귀, 인공심장 등 사람들이 다른 물질로 인공적으로 만든 것들이 대표적인 인공소재 및 장치이다. 3D 프린팅 기술의 발달로 인해 조직공학 및 재생의학 분야에서 이러한 인공소재 및 장치 제작이 점점 더 활발해지고 있다.
치과 분야에서는 3D 프린팅 기술을 이용하여 금속재료 보철용 뼈 등을 제작하고 있으며, 임플란트 시술 전 모형물 제작에 활용하고 있다. 또한 암 수술에서는 3D 프린팅 기술로 측정한 뼈의 골격을 이용하여 얼굴과 눈의 함몰을 최소화하는데 사용되고 있다.
최근에는 3D 프린팅 기술이 인공장기 제작에도 활용되고 있다. 환자의 CT나 MRI 데이터를 이용하여 질병에 대한 정보를 얻고, 이를 3차원 구조물로 생성한 후 3D 바이오프린팅 시스템에 적용하여 환자맞춤형 스캐폴드를 만들 수 있다. 또한 세포 프린팅 기술을 통해 장기적으로 수요자의 요구에 따라 이식을 위한 장기를 직접 만들어낼 수 있게 되었다.
이처럼 3D 프린팅 기술은 인공소재 및 장치 제작에 다양하게 활용되면서 조직공학 및 재생의학 분야의 발전을 이끌고 있다. 이를 통해 장기 이식이나 신체 일부 복구 등 의료 분야의 혁신이 가속화될 것으로 기대된다.
1.2.5. 세포 외 기질
세포 외 기질은 조직 내 또는 세포 외 공간을 채우고 있는 생체고분자의 복잡한 집합체로, 세포 밖에서 기능하는 신체조직의 일부이다. 세포 외 기질은 어느 신체 부위라도 재생시키는 것을 돕기 위하여 뼈대를 만들어낸다. 마치 하나의 세포 뼈대와 같으며, 모든 동물들이 가지고 있다. 세포 외 기질은 직접적으로 기존 세포들을 역분화, 차별화하거나 세포들을 특정한 형태로 만들도록 신호를 보내...
