연구원들은 그들의 심장 챔버 복제품이 장기가 인체에서 어떻게 작동하는지 연구하기 위한 테스트베드 역할을 할 수 있다고 믿는다. 인간의 테스트 없이도 심장이 배아에서 어떻게 자라는지, 심장 조직이 질병에 어떻게 영향을 받는지, 새로운 약물이 해당 질병을 치료하는 데 얼마나 효과적인지 추적하는 데 사용할 수 있다.
"우리는 이전에는 불가능했던 방식으로 질병 진행을 연구할 수 있다."라고 보스턴대학교 공과대학 교수인 Alice White는 말한다. "우리는 특히 복잡한 역학 때문에 심장 조직에 대한 연구를 선택했지만 나노 기술을 조직 공학과 결합하면 여러 장기에 대해 이를 복제할 수 있는 가능성이 있음을 보여주었다."
miniPUMP와 내부 3D프린팅 '혈관' 중 하나의 현미경 이미지. 보스턴 대학을 통한 이미지.
심장을 연구하는 도전
질병통제예방센터(Centers for Disease Control and Prevention)에 따르면 심장병은 미국 남성과 여성 모두의 주요 사망 원인이며 매년 약 659,000명이 사망한다. 사망자 4명 중 1명꼴이다. 따라서 중요한 장기에 대한 연구가 시급하다.
그러나 인체에서 접근할 수 없는 위치로 인해 심장은 임의로 제거, 검사 및 교체할 수 없기 때문에 연구하기 까다로운 대상이다. 이 문제를 해결하기 위해 연구자들은 몇 가지 대안적인 접근 방식을 시도했다. 즉, 시체 심장을 통해 수동으로 혈액을 펌핑하고, 심장 조직을 확장 및 수축시키기 위해 스프링이 장착된 실험실 배양 심장 조직을 사용했다. 불행히도, 우리는 살아난 심장이 무한정 박동할 수 없고 스프링이 실제 근육 섬유처럼 수축하지 않기 때문에 실제와 같은 적절한 프록시를 아직 찾지 못했다.
miniPUMP와 같은 혁신을 통해 연구자들은 궁극적으로 고혈압 및 판막 질환과 같은 질병을 보다 정확한 방식으로 모방하고 연구할 수 있다. 이 장치는 또한 비용이 많이 들고 지루한 인간 실험 대신 실험실 기반 테스트를 가능하게 하여 다가오는 의약품에 대한 약물 개발 프로세스를 간소화할 것으로 예상된다.
심장 조직을 지지하는 3D 프린팅 스캐폴드의 대규모 복제품. 사진 제공: Christos Michas.
miniPUMP는 어떻게 개발되었을까?
miniPUMP는 3제곱센티미터에 불과하며 마이크로 SLA의 매우 정확한 형태인 2광자 직접 레이저 쓰기를 사용하여 3D프린팅된 아크릴 스캐폴드가 특징이다. 내부의 작은 아크릴 밸브는 유체의 흐름을 제어하기 위해 열리고 닫히고, 미니어처 튜브는 동맥과 정맥 역할을 한다. 이 장치를 작동시키기 위해 연구원들은 만능 줄기 세포에서 분화된 심근 세포라고 하는 심장 근육 세포도 통합했다.
miniPUMP를 너무 작게 만들기로 한 결정은 의도적인 결정이었다. 3D프린팅된 아크릴 스캐폴드는 구조를 지지할 만큼 충분히 강해야 하지만 수축하는 심장 조직과 함께 구부러지고 움직일 수 있을 만큼 얇아야 했기 때문이다.
White는 “구조적 요소가 너무 가늘어서 일반적으로 딱딱한 것이 유연하다.”라고 덧붙인다. “유추적으로 광섬유에 대해 생각해 보라. 유리창은 매우 뻣뻣하지만 유리 광섬유를 손가락으로 감쌀 수 있다. 아크릴은 매우 뻣뻣할 수 있지만 miniPUMP와 관련된 규모에서 아크릴 스캐폴드는 박동하는 심근세포에 의해 압축될 수 있다.”
miniPUMP 연구팀은 다음 단계까지 기술을 개선하고 안정적으로 제조할 수 있는 방법을 찾는 것을 목표로 하고 있다. 이 연구는 결국 간과 같은 다른 기관뿐만 아니라 심장의 결함을 고칠 수 있는 이식 가능한 패치에도 적용될 수 있다.
이 프로젝트는 보스턴 대학교가 주도하는 세포 메타물질의 공동 국립과학재단 공학연구센터인 CELL-MET의 일부로 수행되고 있다. 이 센터의 궁극적인 목표는 병든 인간의 심장 조직을 재생할 수 있는 장치를 만드는 것이다.
연구실에서 촬영 중인 miniPUMP의 측면 이미지. 심장 세포에 구조를 제공하는 스캐폴드는 조직을 통해 볼 수 있다. Jackie Ricciardi를 통한 사진.
인간 심장 복제 및 모델의 3D 프린팅은 우리가 전에 본 적이 있는 것이다. 지난 달, 뮌헨 공과 대학(TUM)과 서 호주 대학의 연구원들은 개인의 나이에 따라 성장하는 환자 자신의 세포로 만든 3D프린팅 인공 심장 판막을 개발했다. 이 접근법은 제한된 수년 동안만 지속되어 여러 번의 교체 수술이 필요한 기존 인공 심장 판막의 단점을 극복하기를 희망한다.
다른 곳에서 중국과학원(CAS)의 연구원들은 최근 6축 로봇 팔을 3D 바이오프린터로 변환하고 이를 사용하여 복잡한 모양의 혈관 지지체를 제작했다. 3D프린팅된 혈관화된 심장 조직은 6개월 동안 살아 있고 박동을 유지했으며 미래에 기능적 조직 및 기관을 바이오프린팅하는 실행 가능한 방법을 보여줄 수 있다.
