연구성과

신소재 정성준 교수-생명 유주연 교수 공동연구팀, 몸 밖에서 숨 쉬는 “인공 폐” 최초 개발

2021-03-22 293

[인공 폐 모델 개발…호흡기 감염병 치료 플랫폼 활용 可]

한층 따뜻해진 기온과 봉우리를 띄우는 봄꽃으로 봄기운이 느껴진다. 하지만 미세먼지와 바이러스 때문에 호흡기 질환에 대한 걱정도 많아지고 있다. 호흡에 관여하는 폐는 복잡한 구조와 얇은 두께 때문에 실험용 인공 폐를 만들기 어려웠으나, 최근 POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 연구팀이 인공 폐 모델을 3D프린팅으로 만드는 데 성공했다.

신소재공학과 정성준, 생명과학과 유주연 교수, 통합과정 강다윤씨 연구팀은 잉크젯 바이오 프린팅을 이용해 다종의 인간 폐포 세포주를 포함하고 있는 3차원 폐 모델을 제작하는 데 성공했다. 특히, 연구에서 사용된 잉크젯 바이오 프린팅은 환자 맞춤형 조직 제작과 표준화가 가능하고, 대량 생산도 가능해 기존의 테스트 모델을 대체할 수 있을 것으로 화제를 모으고 있다. 이번 연구는 국제 학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)에 최근 게재됐다.

사람의 폐는 생명 활동에 필요한 산소를 받아들이고 부산물로 발생한 이산화탄소를 몸 밖으로 내보내기 위해 끊임없이 호흡한다. 몸속에 들어온 산소는 기도를 거쳐 폐포에 도착하고, 폐포의 모세혈관을 통해 혈액이 싣고 온 이산화탄소와 교체된다.

여기서 폐포는 얇은 상피 세포층으로 이루어져 있고 주변의 얇은 모세혈관으로 둘러싸여 속이 빈 포도송이 모양을 하고 있다. 산소와 이산화탄소가 이동하는 폐포막은 ‘상피층–기저막–내피 모세혈관층’으로 된 3층 구조로 쉽게 기체의 이동이 쉽도록 매우 얇은 두께로 돼 있다. 그동안 이렇게 얇고 복잡한 구조를 가진 폐포를 정확하게 모사하는 데는 한계가 있었다.

연구팀에서는 최초로 드롭-온-디맨드(drop on demand) 방식*1)의 고정밀 잉크젯 프린팅을 이용해 폐포 세포를 고해상도로 적층해 약 10마이크로미터(μm)의 얇은 두께를 갖는 3층 폐포 장벽 모델을 재현해냈다. 이렇게 제작된 모델은 2차원 세포 배양 모델뿐 아니라 폐포 세포와 하이드로젤을 섞어서 배양한 3차원 비 구조화 모델과 비교했을 때도 높은 모사도를 보였다.

또한, 연구팀은 제작된 폐포 장벽 모델이 바이러스 감염도나 항바이러스 반응 측면에서 실제 조직 수준의 생리학적 반응을 유사하게 재현한 것임을 밝혀냈다. 이 모델을 인플루엔자 바이러스 감염 모델로 사용했을 때, 바이러스의 자가 증식과 항바이러스 반응이 나타나는 것으로 관찰됐다.

정성준 교수는 “바이오 프린팅을 이용해 세포를 프린팅하고, 조직을 제작하고 있지만, 약 10 μm 두께의 3층 구조를 가진 폐포의 장벽을 모사한 것은 세계 최초”라며 “인공 폐포를 바이러스에 감염시켜 생리학적 항바이러스 반응을 관찰한 사례 역시 처음”이라고 밝혔다.

또한, “이번에 제작된 인공 조직은 환자 맞춤형 질병 모델 제작뿐 아니라 대량생산과 품질 관리가 가능해 신종 코로나 바이러스 감염증을 비롯한 전염성 호흡기 바이러스에 대응할 수 있는 치료 약물 및 백신 유효성 평가용 초기 플랫폼으로 활용할 수 있다”고 덧붙였다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업, 선도연구센터지원사업, 기초연구사업의 지원으로 수행됐다.
 


1. 드롭-온-디맨드(drop on demand) 잉크젯
카트리지에 가해지는 압력으로 초미세 잉크방울을 토출 시켜 세포 및 바이오소재를 원하는 위치에 정확하게 도포시킬 수 있는 바이오프린팅의 한 방법이다.