"돼지야 고맙다"…바이오 인공장기, 무병장수 꿈 이룰까?[과학을읽다]

미국 매릴랜드주 볼티모어에서 지난 7일(현지시간) 메릴랜드대 의료진이 사람 심장을 이식받지 못한 시한부 환자 데이비드 베넷(57)에게 이식할 돼지 심장을 들어보이고 있다.

[아시아경제 김봉수 기자] 최근 미국에서 돼지 심장을 사람에게 이식하는 수술이 성공적으로 진행됐다. 각종 질환, 사고 등으로 장기 이식이 필요한 환자·가족들에게 큰 희망을 준 사건이었다. 이처럼 바이오 인공장기를 이식해 인간의 무병·장수를 이루려는 연구는 활발히 진행되고 있지만 아직까지 과제가 많이 남아 있다.

◇ 바이오 인공장기란

인공장기란 질병 또는 물리적 손상 등에 의해 기능 수행이 불가능한 장기를 대체할 목적으로 생산된 것을 말한다. 생산 방법에 따라 동물 기반, 세포 기반, 전자기기 기반 인공 장기로 나눌 수 있다. 이 중 바이오 인공장기는 줄기세포를 배양, 분화해 만든 실제 장기 특이적 특성을 보유한 오가노이드(미니장기), 조직을 탈세포화 해 얻은 세포외기질에 정상세포를 주입·배양해 만드는 인공 조직, 생체 적합성의 소재와 3D 프린팅 기술을 활용한 바이오 프린팅 기술 등을 활용해 만들어지는 차세대 인공장기 등을 총괄하는 개념이다. 동물 장기 생산은 배반포(blastocyst) 수정란에 인간 줄기세포를 주입하는 배반포 보정법(blastocyst complementation), 면역 기능을 제거한 성체 동물에 인간 줄기세포를 이식하는 인간화 동물 방식(humanized animal), 초기 면역 거부 반응 제어를 통한 이종 간 장기 이식(xenotransplantation) 등의 방식이 있다.

◇ 왜 필요한가

최근 들어 인구 고령화나 각종 질병 증가에 따라 장기가 손상돼 생명 유지를 위해선 이식이 필수적인 이들이 급증하고 있다. 신장·간장·췌장·심장 등 장기 이식 대기자는 2019년 말 현재 4만1755명에 달한다. 그러나 성공하는 사람은 10% 정도에 불과하다. 뇌사, 사후, 생존 등 모든 경우를 포함한 장기 기증 건수는 5770건에 그치기 때문이다. 우리나라는 사후 시신 기증이 연간 500건 미만에 불과하고 나머진 가족 간 이식이 대부분이다. 이에 따라 장기 기증을 애타게 바라다가 속절없이 생명을 버리는 이들도 연간 2000명을 훌쩍 넘는다. 최근 5년간(2016~2020년) 장기이식 대기 중 사망자는 2016년 1492명, 2017년 1762명, 2018년 1894명, 2019년 2142명, 2020년 2194명 등으로 매년 증가하는 추세다.

◇ 한국은 추격 중

미국과 유럽, 일본이 연구개발(R&D)에 집중적인 예산을 투자하며 세계적으로 인공장기 연구를 선도하고 있다. 오가노이드의 경우 인체 대부분의 장기에 대한 오가노이드가 이미 개발이 완료됐다. 우리나라도 추격 중이다. 한국과학기술기획평가원(KISTEP)에 따르면 한국의 바이오 인공장기 관련 줄기세포 활용 기술의 경우 최상위 그룹의 85% 수준, 격차는 대략 2년 정도로 나타났다. 손미영 한국생명공학연구원 박사는 "우리나라는 추격 그룹으로 연구소와 대학, 병원 중심으로 인공장기 연구가 활발히 이루어지고 있다"며 "여러 다른 기술들의 접목으로 융합연구를 통한 바이오 인공장기를 만들거나 활용하는 연구, 줄기세포 유래 오가노이드의 기능적 증진 혹은 활용 연구가 꾸준히 보고되고 있다"고 설명했다. 실제 2019년 5월 인간 유도만능줄기세포(iPSC)를 돼지의 배반포에 주입해 실험하는 연구가 승인돼 기초 연구에 돌입한 상태다. 미국의 '돼지 심장' 이식과 같은 연구가 진행 중이라는 뜻이다. 또 지난해에는 건국대 의대·국립축산과학원 공동연구팀이 미니피그에서 생산된 신장을 이식한 원숭이가 64일 이상 생존해 국내 기록을 깼고, 미국의 499일 생존 기록에 도전 중이다. 이종 간 장기 이식을 위한 실험용 인공장기 생산도 활성화돼 있다. 그러나 인공장기 생산에 인간화 돼지·배반포 보정법을 이용한 곳은 전무하다.

◇ 원천기술 개발 갈 길 멀다

인간·동물사이의 ‘면역력’이라는 장벽을 돌파해야 하므로 다양한 기술 개발이 선행되어야 한다. 특히 원료동물 역할을 할 미니돼지를 형질 전환시켜 면역결핍을 유발하는 원천 기술을 개발해 효율을 개선하는 연구가 필수적이다. 또 설치류, 개, 영장류 등 인간과 유전적 거리가 먼 종을 대상으로 연구가 진행되고 있는 점도 걸림돌로 꼽힌다.

미국에서는 영장류·사람 간의 차이를 확인해 인공장기 생산에서 활용하기 위한 연구가 다수 진행되고 있다. 김현일 옵티팜 대표는 한국연구재단 보고서에서 "국내에서도 이 같은 영장류·인간의 면역 시스템 차이 규명을 위한 연구를 통해 이종장기 이식의 면역 반응을 예측하고 극복할 수 있는 전략확보가 필요하다"고 지적했다. 이종 동물 간의 면역 기전 규명과 면역 억제제 개선·개발, 실험·임상 시설 기준 및 가이드라인 정비, 생산시설의 규격화 등 제도적 정비의 필요성도 제기되고 있다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr