조직공학과 조직공학용 생체재료 ①

1 조직공학이란

조직공학(Tissue engineering)이라는 개념은 1980년대 후반 이 분야의 선구자로 활약했던 Harvard Medical School의 Joseph Vacanti와 MIT의 Robert Langer에 의하여 처음 사용되었다. 조직공학의 정의는 '생명과학과 공학의 기본개념을 융합하여 생체조직을 만들어 이식함으로써 인체 장기나 조직의 기능을 복원, 유지 또는 향상함을 목적으로 새로운 치료법'을 말한다. 최근 조직공학과 관련된 재료공학, 약물 및 유전자 전달체 연구, 줄기세포 연구, 나노과학, 그리고 IT기술 등의 학문과 기술의 접목으로 조직공학은 그 대상 영역이 확대되고 임상에서 적용되는 사례가 많아져 조직공학 & 재생의학(Tissue Engineering & Regenerative Medicine)이라는 첨단 의학의 한 분야로 발전하게 되었다. 

현재 조직공학의 연구는 약 20여 년 전 초보적인 3차 원지지체 제작기술과 세포배양기술을 이용하여 인체와 유사한 조직 또는 장기의 제작을 시도하며 시작되었다. 초기의 재생의학은 인간의 조직 및 장기를 대체할 수 있는 치료법의 개발이 가능할 것이라는 기대감과 함께 주목을 받았으나, 그 당시에는 조직의 형성과 필요한 지식과 기술의 부족으로 새로운 치료법의 개발과 응용에 한계가 있었다. 그러나 최근에는 연구자들의 꾸준한 노력과 함께 기존의 관련 분야 외에 줄기세포분야 및 컴퓨터 공학을 비롯한 기타 첨단기술의 발전과 이의 접목으로 보다 효과적으로 조직들을 재생 혹은 제작할 수 있게 되었고, 혁신적이고, 성공적인 연구 결과들이 속속 보고되었다. 이에 따라 최근 재생의학 연구가 다시 급속도로 성장하고 있으며, 재생의학 연구의 결과물이 실제 환자 치료에 적용되는 사례가 급증하고 있으며, 산업화에도 긍정적으로 작용하여 보다 실질적이고 새로운 동력을 가지고 발전해가고 있다.

조직공학이란 생체분해특성을 가진 생체척합 재료로 다공성의 3차원적인 지지체를 제작하고, 배양되거나 주변조직으로부터 전이된 세포로부터 새로운 3차원적인 생체조직을 형성시키고, 분해특성의 지지체는 체내에서 완전분해되어 최종적으로는 건강하고 새로운 생체조직을 재생시키는 새로운 치료법이다. 최근, 재생의학(regenerative medicine)과 조직공학(tissue engineering)의 발전은 대체제로서의 조직이나 장기의 부족에 따른 한계를 극복할 수 있는 이상적인 방안으로 대두되고 있다. 조직공학기술은 환자에서 분리되고 배양된 특정 세포를 생체적합성/생분해성 재료로 제조된 지지체(scaffold)에 점착시키고, 생체활성인자(bioactive molecule)를 이용한 생화학적 자극 또는 생체반응기(bioreactor)를 이용한 물리적인 자극 등을 통해 조직화(tissue formation)된다. 즉, 공학적으로 제조된 인공장기는 우리 몸의 생체조직과 유사하여 자가 조직이식물의 대체제로 많은 가능성을 가지고 있다. 위와 같이, 전통적인 조직공학적 방법은 특정 조직에서 세포를 분리하고 대량 배양하여 충분한 세포수를 확보하고, 다공성 지지체에 고루 배양된다. 세포가 배양된 지지체는 생체 내에 이식되며 손상된 조직이나 장기의 기능을 대체하게 되는데, 현재까지 인공혈관, 인공요도, 인공방광, 인공연골 등에 조직공학적 방법으로 임상에 시도되고 있으며, 이외 여러 조직과 장기에 대한 연구가 활발하게 진행 중에 있다.

 

2 조직공학용 생체재료 ①

인체의 모든 조직은 3차원적으로 세포와 세포에서 분비되어 형성 또는 재구성된 세포외기질(extracellular matrix)로 구성되어 있다. 세포외기질은 인체조직구성의 구조적인 기반이 되며 세포가 성장하고 분화하는데 필요한 생화학적 인자(biochemical factor)들을 저장하고 세포 간 신호전달, 세포분화 사멸 및 생리활성 조절인자를 적절히 공급해 줌과 동시에 세포가 인식할 수 있는 물리적 환경을 제공한다. 세포외기질의 구성 성분은 교원질(collagen), 일라스틴(elastin) 등의 구조단백질, 파이브로넥틴(fibronectin), 라미닌(lamimin) 등의 접착단백질, 오스테오폰틴(osteopontin), 오스테오칼신(osteocalcin) 등의 미네랄화 단백질 등의 다양한 단백질 성분과 콘드로이틴황산(chondroitin sulfate), 히알루론산(hyaluronic acid) 등의 다당류(polysaccharides)로 분류할 수 있다. 따라서, 재생의학적 조직공학은 이물질이 없는 완전한 생제조직을 재건하기 위해서 각 조직의 세포의 특성과 세포외기질을 모방하는 전략을 취하며, 기본적인 요소에는 ① 세포(배아줄기세포, 성체줄기세포, 전구세포, 조직으로부터 분리 배양된 세포), ② 생분해성 다공성 지지체(소재 및 소재의 분해산물이 생체적합한 소재이며 재생하는 조직의 특성에 맞는 분해특성 및 기계적 특성을 가진 구조체), 그리고 ③ 성장인자(세포의 부착, 증식, 이동, 분화를 촉진 또는 조절)가 포함된다. 이 중 생분해성 지지체는 3차원적으로 만들어진 세포외기질의 모방체로서 조직공학에서 매우 결정적인 역할을 수행하는데, 지지체의 기능은 지지체의 다공성 구조 안에 파종된 또는 주변 조직으로부터 전이되는 세포를 성장 또는 분화시키거나 증식시키고 적절한 세포외기질을 잘 분비시켜 조직이 구성되는 것을 돕고, 생체내에서 수분 및 효소에 의해서 서서히 분해, 흡수되어 없어지게 된다. 최종적으로 재생된 조직은 인고적인 지지체가 남아있지 않고 세포와 세포외기질의 생체조직만으로 구성된다. 조직공학용 지지체로서 중요한 요건은 지지체의 생분해 시 중간 분해산물 또는 최종 분해산물이 세포나 주변조직에 영향을 주지 않아야 하며, 지지체의 이상적인 분해속도는 체내에서 원하는 조직이 형성되는 동안 충분한 기계적 강도를 유지하면서 서서히 분해되어 흡수되어야 한다. 지지체가 흡수된 공간은 재생된 조직이 대체하여 완전한 생체조직을 완성하게 된다.