안소니 아탈라: 인공 장기 배양

이것은 하버드 의과 대학의 카운트웨이 도서관에 있는 그림이죠. 최초로 장기가 이식되는 장면을 묘사하고 있습니다. 여기 앞에 보이는 조 머레이 박사가 환자에게 장기를 이식할 준비를 하는 가운데, 뒤쪽 수술실에 집도 중인 하트웰 해리슨 박사가 보입니다. 당시 하버드 의대 비뇨기과 학과장이었던 그는 신장을 적출하는 중입니다. 세계 최초로 인간에게 이식된 장기는 바로 신장이었습니다.

1954년에 일어난 일이죠. 55년 전에도 여전히 수십 년 전과 마찬가지로 수많은 난제들을 해결하기 위해 노력하고 있었습니다. 물론 상당한 진보를 통해 많은 생명을 살릴 수 있었습니다. 그러나 장기는 심각하게 부족한 상황입니다. 지난 십 년 간, 장기 이식을 기다리는 환자의 수는 두 배로 늘어났습니다. 한편 같은 기간에, 실제 장기 이식 건수는 거의 변함없이 같은 수준에 머물러 있습니다. 이러한 현상은 인구노령화와 관련이 있습니다. 우리는 자꾸 나이를 먹고 있습니다. 의학은 우리를 계속 생존하게 하는 본연의 임무를 더 잘 수행하고 있습니다. 노화가 진행될 수록 장기에 이상이 생길 가능성은 더 높아지게 됩니다.

바로 이것이 우리의 과제입니다. 장기뿐만 아니라 조직세포도 마찬가지입니다. 췌장을 이식하려는 시도와 파킨슨병을 완화시켜줄 신경조직을 이식하려는 시도들이 주요 관심사입니다. 매우 놀라운 통계수치가 있는데, 매 30초마다 세포 재생이나 이식으로 치료가 가능한 환자가 사망하고 있다는 것이죠. 그렇다면, 우리가 할 수 있는 일은 뭘까요? 오늘밤 논의했던 줄기세포가 한 가지 방법이 될 수 있습니다. 그러나 장기 치료를 위해 줄기세포 기술을 실제로 환자에게 적용하기까지는 아직 요원하기만 합니다.

우리 몸이 스스로 재생된다면 정말 멋지지 않을까요? 우리 몸의 그러한 재생력을 이용해서 병을 스스로 낫게 한다면 정말 좋지 않겠어요? 사실 이러한 생각이 아주 낯선 개념은 아닙니다. 그와 같은 현상이 지구 상에서 매일 일어나고 있으니까요. 이 사진은 실제 도마뱀의 모습입니다. 도마뱀은 놀라운 재생력을 갖고 있지요. 여기 동영상이 보이는데요, 이것은 실제로 다리가 절단된 도마뱀입니다. 그리고 시차를 두고 촬영된 이 사진은 다리가 재생되고 있는 모습을 보여줍니다. 단 며칠만에 말이지요. 여기 상처 자국이 보입니다. 이 상처 부위가 점점 자라나면서 새로운 다리가 됩니다.

이렇듯 도마뱀은 재생력이 있습니다. 그렇다면 우리는 왜 안될까요? 왜 인간은 재생력이 없지요? 사실, 우리도 재생력이 있습니다. 우리 몸에는 여러 장기가 있습니다. 그리고 우리 몸 속의 각 장기들 모두 특정 세포군을 갖고 있는데 이들은 조직이 손상될 경우를 대비하고 있지요. 매일 일어나는 일입니다. 우리가 나이를 먹고 늙어감에 따라 말입니다. 인간의 뼈는 십 년마다 한 번씩 재생됩니다. 피부는 2주마다 한 번씩 재생되고요. 결국, 우리 몸은 끊임없이 재생 중이라 할 수 있습니다. 하지만 부상을 입었을 경우 문제는 심각해집니다. 다치거나 병이 났을 때 우리 몸의 첫 번째 반응은 해당 부위를 다른 신체 조직으로부터 보호하는 것입니다. 기본적으로 감염과 싸우고 해당 부위를 보호하려 합니다. 내부 장기가 되었든, 피부가 되었든 첫 번째 반응은 반흔조직(scar tissue)이라고 하는 세포를 투입하여, 외부로부터 해당 부위를 보호하는 것입니다.

그렇다면, 어떻게 이 재생력을 이용할 수 있을까요? 우리가 시도하는 한 가지 방법은 기능성 바이오소재를 이용하는 것입니다. 어떻게 작동할까요? 여기 왼쪽을 보시면 손상된 요도가 보입니다. 요도는 방광을 신체 외부까지 연결하는 관이지요. 그리고 여기가 손상된 부위입니다. 우리는 이러한 기능성 바이오소재를 일종의 결합체로 사용할 수 있다는 것을 발견했습니다. 이렇게 결합체를 만들고, 외부 환경으로부터 상처 부위를 차단해주면, 일종의 다리가 생기고 우리 몸속의 재생세포들이 그 다리를 통해 이동할 수 있게 됩니다.

여기 보시는 장면이 바로 그 과정입니다. 이것이 실제 이 환자를 치료하는데 사용했던 기능성 바이오소재의 사진입니다. 왼쪽에 보이는 것이 손상된 요도입니다. 가운데 보이는 바이오소재를 사용했죠 6개월 후, 오른 쪽에서 보이는 것처럼 요도가 말끔히 재생되었습니다. 우리 몸은 이렇듯 재생력을 갖추고 있는데, 다만 근접한 부위에서만 가능한 일이지요. 효과적으로 재생될 수 있는 최대 길이는 겨우 1 센티미터밖에 되지 않습니다. 결국 이러한 기능성 바이오소재를 이용해서 이와 같은 간격을 결합시키기 위해 1 센티미터 정도만 재생할 수 있다는 것입니다. 이와 같은 간격을 결합시키기 위해 1 센티미터 정도만 재생할 수 있다는 것입니다.

제한된 범위에서만 재생이 가능하다는 거죠. 자, 이제 더 큰 장기가 손상되었을 땐 무엇을 할 수 있을까요? 즉 1센티미터보다 훨씬 더 큰 부위에 손상을 입었을 경우에는 어떻게 해야 할까요? 우리는 세포를 사용할 수 있습니다. 우리의 계획은 이렇죠. 도착한 환자의 장기가 감염되었거나 손상된 상태라면, 해당 장기에서 아주 작은 조직을 떼어내는 것입니다. 우표를 반으로 접은 것보다 더 작은 크기로요. 그런 다음 그 세포조직을 분해해서 조직을 구성하고 있는 기본 물질들, 즉 환자 자신의 세포들을 분리해내게 되죠. 이 세포들을 각각 떼어 내어 외부에서 대량으로 배양하고 확장시킵니다. 그런 다음 우리는 골격 물질(scaffold materials)을 사용합니다.

맨눈으로 보면 마치 블라우스나 스커트 천조각처럼 보이지만 실제로 이것은 상당히 복잡한 물질입니다. 그리고 이 물질은 신체에 주입되면 분해되도록 설계되었습니다. 몸 안에서 몇 달 후면 사라지게 되는 거죠. 이 물질은 일종의 세포 운반체로만 기능합니다. 세포를 몸 속으로 전달하죠. 그리고 세포는 새로운 조직을 재생시키고 일단 재생이 끝나면 이 골격은 사라지게 되는 것입니다.

바로 이것이 우리가 근육 조직을 재생하는 과정입니다. 이것은 실제 우리가 이러한 과정을 거쳐 재생한 근육의 일부를 보여주고 있습니다. 세포를 추출해서 배양한 다음, 골격에 이 세포들을 주입해서, 환자의 몸 안에 이식합니다. 하지만 실제로는, 이 골격을 환자에게 이식하기 전에 근육을 훈련시켜야 합니다. 이 근육을 학습시켜서 환자의 몸에 골격이 이식 된 후에 무엇을 해야할 지 알려주어야 합니다. 바로 여기 보시는 장면이 그것입니다. 이 근육 생물반응기가 앞뒤로 근육을 운동시키고 있습니다.

좋아요. 우리가 방금 본 것은 근육처럼 단순한 형태였습니다. 다른 형태는 어떨까요? 이것은 인공적으로 만들어진 혈관입니다. 방금 전에 보신 것과 매우 유사하지만, 조금 더 복잡합니다. 여기서도 우리는 골격을 이용하는데, 이런 종이 조각처럼 생겼습니다. 이 골격을 튜브 모양으로 만드는 거죠. 그런 다음, 동일한 방법으로 혈관을 만듭니다. 혈관은 두 가지 서로 다른 유형의 세포로 구성되어 있습니다. 근육 세포를 채취하여 바깥쪽에 도포하거나 코팅하는 것으로, 레이어 케이크를 만드는 것과 유사합니다.

근육 세포를 바깥쪽에 배치하고, 혈관 내벽 세포를 안쪽에 위치시킵니다. 이제 인공 혈관을 만들 골격이 완성되었습니다. 이 완성된 골격을 오븐처럼 생긴 기기에 넣어 둡니다. 이 기기는 인체와 동일한 조건을 유지하는데, 온도는 섭씨 37도, 산소 농도는 95%입니다. 그 다음 좀 전에 보신 것처럼 이 혈관 조직도 훈련 시킵니다.

오른쪽에 인공적으로 만들어진 경동맥을 볼 수 있습니다. 경동맥은 목부터 뇌까지 연결하는 동맥이죠. 이 X-레이는 특허 출원된 제기능을 하는 혈관을 보여주고 있습니다. 더 복잡한 구조도 가능할까요? 제가 보여드린 혈관이나 요도같은 장기도 분명히 더 복잡한 구조입니다. 서로 다른 두 종류의 세포를 고려해야 하니까요. 그러나 이러한 장기들은 주로 통로 역할만 합니다. 액체나 기체를 정상상태(定常狀態)로 흐르게 합니다. 중공장기(中空臟器)들처럼 복잡한 장기는 아닙니다. 중공장기는 훨씬 더 복잡도가 높은데, 요청에 따라 작동하도록 해야 하기 때문입니다.

방광이 그런 장기 중 하나입니다. 같은 방법으로, 방광 조직을 아주 조금 채취합니다. 우표를 반으로 접은 것보다도 작은 크깁니다. 그런 다음 조직을 분해해서 두 개의 서로 다른 구성물로 나눕니다. 근육 세포와, 방광 고유의 특수세포로요. 외부에서 이 세포들을 대량으로 배양합니다. 방광에서 추출한 이 세포들을 충분히 키우는 데에는 약 4주가 소요됩니다. 그런 다음 우리는 방광과 유사한 모양의 골격을 만들어서 안쪽을 방광 내벽 세포로 코팅하고, 바깥쪽을 근육 세포로 코팅합니다. 이것을 오븐처럼 생긴 기기에 넣어 둡니다. 조직세포를 추출한 후, 6-8주 정도 지나면 환자에게 새로 만든 장기를 이식할 수 있게됩니다.

이것이 실제 골격의 모습입니다. 안에는 세포들이 도포되어 있는 상태입니다. 우리가 처음으로 임상 실험을 실시했을 때 환자 개개인에 맞게 골격을 제작하였습니다. 예정된 수술 날짜로부터 6-8주 전에 환자를 불러서 X-레이 촬영을 하고, 각 환자의 골반 크기에 맞게 인공 장기를 배양할 골격을 제작했습니다. 임상 실험 2단계에서는 그냥 소, 중, 대, 특대 등 몇 개의 사이즈를 준비했죠. 그냥 소, 중, 대, 특대 등 몇 개의 사이즈를 준비했죠. 사실입니다. (웃음) 여기 계신 모든 분들은 특대라고 확신하는데, 맞죠? 여기 계신 모든 분들은 특대라고 확신하는데, 맞죠? (웃음)

아무튼, 방광은 다른 장기들 보다는 좀 더 복잡한 구조입니다. 그렇지만 그것보다 더 복잡한 중공장기들도 있습니다. 이것은 인공적으로 만들어진 심장 판막의 실제 모양입니다. 이 심장 판막을 만드는 방법도 동일합니다. 골격을 짜고, 세포를 심어놓는 거죠. 그리고 여기 실제 판막엽이 개폐되는 모습을 볼 수 있습니다. 우리는 이식 전에 이렇게 훈련을 시킵니다. 같은 방법이죠.

한 편, 가장 복잡한 기관은 고형 장기들입니다. 고형 장기들이 더욱 복잡한 이유는 1 센티미터 당 훨씬 더 많은 세포들을 사용해야 하기 때문입니다. 여기 보시는 것은 비교적 단순한 고형 장기인 귀입니다. 지금 연골 조직세포를 도포하고 있는 모습이고요. 저것이 바로 오븐처럼 생겼다는 기기입니다. 일단 세포를 코팅한 후에는 저 곳에 보관합니다. 몇 주가 지나면 그 연골 골격을 꺼낼 수 있지요.

이것은 우리가 만들고 있는 손가락입니다. 이것은 한 번에 한 겹씩 층을 나누어 만드는데요, 처음에는 뼈를 만들고 사이사이를 연골로 채웁니다. 그런 다음 근육 세포를 도포하지요. 그렇게 고형 구조에 층을 쌓기 시작합니다. 확실히, 굉장히 복잡한 장기들입니다만, 그 중에서도 가장 복잡한 고형 장기는 혈관이 매우 발달 되어 있는 기관들입니다. 혈액 공급이 많이 필요한 것들이죠. 그런 장기에는 심장, 간, 신장 등이 있습니다. 이것은 한 예로서 고형 장기를 만들어내는 몇 가지 전략을 보여줍니다.

이것은 그 전략 중에 하나죠. 프린터를 이용합니다. 방금 잉크젯 카트리지가 지나갔는데, 우리는 잉크 대신에 세포를 사용하죠. 이것은 보통의 가정용 프린터입니다. 지금 심장의 심방 2개를 찍어내고 있습니다. 한 번에 한 겹씩이요. 저기 심장이 출력되는 모습이 보이네요. 다 인쇄하는 데 40분 정도 걸리고요, 4-6시간 정도 지나면 심장 근육 세포가 수축하는 것을 볼 수 있죠. 심장 근육 세포가 수축하는 것을 볼 수 있죠. (박수) 이 기술은 우리 연구소의 타오 주(Tao Ju)가 개발한 것입니다. 물론 아직은 실험 단계로, 환자용은 아닙니다.

우리가 연구 중인 다른 한 가지 방법은 기존 장기를 탈세포화하여 사용하는 것입니다. 기증 받은 장기를 이용하는데, 일단 적출한 장기에 아주 약한 세정액을 사용하여 세포들을 모조리 빼내는 것입니다. 예를 들어, 왼쪽 화면을 보시면, 윗부분에 간이 보이시죠. 이 기증된 간에 아주 약한 세정액을 사용합니다. 이 세정액을 이용하여 간에서 모든 세포들을 빼내는 것입니다. 이 세정액를 이용하여 간에서 모든 세포들을 빼내는 것입니다.

2 주가 지나면, 이 간을 들 수 있죠. 간처럼 느껴집니다. 간처럼 들고 있을 수도 있는데, 간처럼 보이지만, 사실 세포는 하나도 없습니다. 남아 있는 것이라고는 간의 뼈대뿐이라고 할 수 있죠. 모두 콜라겐으로 구성되며, 우리 몸에 거부반응을 일으키지 않는 물질입니다. 이 물질은 환자를 가리지 않고 모두에게 사용할 수 있습니다. 그리고 우리는 이처럼 탈세포화된 간도 여전히 혈관을 통한 혈액 공급 기능을 유지하고 있다는 걸 밝혀냈습니다.

형광투시(floroscopy) 영상을 보고 계십니다. 지금 간에 조영 물질을 주사하고 있습니다. 자 이제 주입된 조영 물질이 탈세포화된 간에 들어가는 것을 보고 계십니다. 손상되지 않은 채 남아 있는 혈관 줄기가 그대로 보이시죠. 이 혈관 줄기에 우리는 혈관 세포를, 즉 환자 자신의 혈관 세포를 주입하게 됩니다. 그 다음으로 간의 외부 표면에 환자 자신의 간 조직 세포를 도포하죠. 그렇게 제기능을 하는 간을 만들 수 있습니다. 지금 바로 그 화면을 보고 계십니다. 아직은 실험단계지만 우리는 탈세포화한 간의 기능을 정상적으로 되살려낸 것입니다.

신장 이식은, 첫 번째 보여드렸던 슬라이드에서 말씀 드린 바 있습니다. 장기 이식을 기다리는 환자의 90%가 신장을 기다리고 있습니다. 90%입니다. 그래서 연구하고 있는 또 다른 방법은 웨이퍼(wafers)를 만드는 것인데, 아코디언처럼 여러 겹으로 쌓게 됩니다. 그렇게 쌓아 만든 웨이퍼에 신장 세포를 주입하면, 여기 보이는 것처럼 신장 모형을 만들 수 있는 것이죠. 이 모형은 소변을 실제로 만듭니다. 작은 모형을 어떻게 키우는가가 여전히 숙제입니다. 이와 관련해 저희 연구소에서는 계속 연구를 진행하고 있습니다. 여러분께 요약해 드리고자 하는 것 중 하나는 재생 의학에서 어떤 방법을 개발하고 있는가 하는 것입니다.

모든 것이 가능하다면, 기능성 바이오소재를 사용하는 것이 좋은데, 그냥 만들어진 것을 가져다가 장기를 재생시킬 수 있으니까요. 현재로서는 재생 범위가 제한적입니다. 우리의 목표는 그 범위를 점차 늘려가는 것입니다. 만일 기능성 바이오소재를 사용할 수 없다면, 환자의 세포를 활용해야 할 것입니다.

왜냐하면 거부반응이 없기 때문이죠. 환자로부터 세포를 추출한 후, 인공 장기를 만들어서 다시 환자에 이식하면, 거부반응이 없죠. 가능하다면, 해당 장기에서 직접 세포를 채취하려고 합니다. 만일 기관지가 손상되었다면 그 기관지에서 바로 세포를 채취하는 것입니다. 췌장에 문제가 있다면 췌장에서 바로 세포를 채취하는 것이죠.

왜냐하면 해당 장기에서 채취한 세포는 환자가 필요로 하는 역할을 이미 알고 있기 때문입니다. 기관지 세포는 자신의 역할을 이미 알고 있습니다. 다른 유형의 세포로 새로 훈련시킬 필요가 없습니다. 그래서 장기에 특화된 세포를 선호합니다. 현재 대부분의 장기에서 직접 세포를 채취할 수 있는데, 불가능한 경우는 줄기세포를 이용해야 합니다. 심장, 간, 신경, 췌장 등이 그러하지요. 이러한 장기들은 줄기세포가 필요합니다. 환자로부터 직접 줄기세포를 구할 수 없다면, 기증된 줄기 세포를 사용하게 됩니다. 거부 반응 없이 종양으로 자라지 않는 세포를 선호합니다.

2년 전에 발표한 바 있는 줄기 세포를 이용하여 많은 연구를 진행하고 있습니다. 양수와 태반에서 채취한 줄기세포는 이와 같은 특성을 갖추고 있습니다. 이 쯤에서 우리가 직면하고 있는 주요 과제를 말씀드리고 싶습니다. 알다시피, 여러분께 보여드린 것은 모두 잘 되고 있는 것 같지만, 실제로 그렇지만은 않습니다. 이 기술들은 그렇게 쉬운 것이 아닙니다. 오늘 보신 연구 성과들 중에는 700명이 넘는 연구자들이 20년에 걸쳐 진행한 것도 있습니다.

따라서, 매우 어려운 기술들입니다. 일단 방법을 찾아낸다면, 복제할 수 있습니다. 그 단계에 도달하는 것은 힘들죠. 저는 항상 이 만화를 보여드리곤 합니다. 달리는 마차를 세우는 방법에 대한 것이죠. 저기 마부가 보이는데요, 위에 적힌 순서대로 A, B, C, D, E, F를 수행합니다. 마침내 달리는 마차를 멈추게 합니다. 이건 과학자들이 주로 쓰는 접근법이고, 아래쪽은 전형적인 외과의사들의 방식입니다. (웃음) 외과의사인 저에게 그다지 유쾌한 것은 아니죠. (웃음)

사실 첫 번째 방법이 올바른 접근이겠죠. 이 의미는 이러한 기술을 실제 임상에 적용하려고 할 때는 언제나, 이 의미는 이러한 기술을 실제 임상에 적용하려고 할 때는 언제나, 실제 환자에게 적용하기 전에 가능한 모든 것을 실험실에서 검증했다는 확신이 있어야 한다는 것입니다. 그리고 환자들에게 이러한 신기술을 적용할 때에는 우리는 다음과 같은 아주 어려운 질문을 스스로에게 꼭 합니다. 이것을 나의 사랑하는 사람들, 아이, 가족에게도 투입할 수 있는 준비가 되어 있는가, 그렇다고 할 때만 임상을 진행합니다. 왜냐하면 우리의 첫 번째 목표가 해를 끼치지 않는 것이기 때문입니다.

이제 매우 짧은 영상을 하나 보여드릴 건데요, 인공 장기를 이식한 환자에 대한 5초짜리 영상입니다. 이와 같은 구조물을 14년 전부터 이식해 왔죠. 현재 우리 환자 중에는 인공 장기를 지니고 10년도 넘게 생활해 오신 분들이 계시지요. 이제 한 젊은 여성에 대한 영상을 보여드리겠습니다. 척추 피열(spina bifida)이라는 척수 이상 환자였습니다. 방광에도 문제가 있었고요. 이 장면은 CNN의 일부입니다. 그 중 5초 분량의 영상만 발췌했습니다. 산제이 굽타 의학전문기자가 담당했던 보도입니다.

케이틀린 M: 전 행복합니다. 그 전에는 제가 무슨 사고라도 당하지 않을까 항상 두려웠죠. 이제 저는 남들처럼 친구들과 외출하고 하고 싶은 것을 할 수 있습니다.

보시다시피, 결국에 재생 의학이 할 수 있는 약속은 한 가지입니다. 매우 단순한 약속이죠. 환자들을 더 낫게 만드는 것입니다. 관심있게 들어주셔서 감사합니다. (박수)