이일우(가톨릭의대교수·신경외과학)
<인공장기의 역사와 현황>
1954년 하버드 대학의 죠셉 머레이 박사에 의하여 최초의 산장 이식이 시행된 이래로 장기 이식은 급속한 발전을 이루어 현재는 간 , 췌장, 심장, 폐 등 많은 종류의 인체 장기들이 이식되고 있으며 그 숫자는 미국의 경우 연간 약 2만건에 이르며 국내의 경우 작년 한해 약 1300례의 장기 이식이 이루어 졌다.
이러한 발전에도 불구하고 현재 장기 이식에 관련되어 가장 문제가 되는 점은 첫째 이식에 사용도리 장기가 너무 부족하다는 점이다. 이 점은 사체를 중요시 여겨 장기 기증자가 많이 않은 우리나라의 경우 서구 사회보다 더욱 심각하다고 할 수 있다.
두 번째의 문제점은 의학과 관련 학문의 눈부신 발달에도 불구하고 아직도 이식 가능한 인체의 장기가 제한되어 있다는 점이다. 이런 이유로 오래 전부터 인공장기의 사용에 대한 연구가 활발히 진행되어 왔고 실제로 일부는 현재에도 임상에 사용되고 있다.
인공장기의 개발역사는 1890년경 Lane이 뼈의 골절에 대한 고정으로 금속제 screw와 plate등을 사용한 이후 크게 3세대로 나뉠 수 있는데 제 1세대로는 1940년 도 이전 아주 초창기의 implant로서 원시적인 공업용 재료를 인체의 일부를 지지 또는 보철하는 목적으로 사용한 것들을 말하며 제 2세대에는 생체적합성이나 항혈전성들의 개념이 정립되고 고분자 재료기술의 발전으로 좀더 섬세하고 정교한 조직 또는 장기 대체물질이 개발되었고 이 시기의 대표적인 인공장기들은 데이크론, 테플론 등을 사용한 인공혈관, 실리콘을 사용한 인공심장판막, PMMA를 이용한 인공고관절, 초산 셀룰로즈등을 투석막으로 사용한 인공신장등을 들 수 있다.
1980년경부터 현재에 이르는 제 3세대에는 분자 생물학가 의공학의 발전에 힘입어 인공장기의 많은 부분을 생체조직으로 대신하려는 시도가 이루어져 소위 혼합형 인공장기(hybrid bioartificial organ)의 개발이 진행되었고 아예 생체조직으로만 자기 또는 조직을 체외에서 합성하여 이식하려는 소위 조직공학(Tissue Engineering)이 활발하게 연구되고 있으며 피부의 경우 미국에서는 이미 3개회사에서 서로 다른 형태의 이식용 인공피부가 판매되고 있는 실정이다.
<21세기의 인공장기>
미래의 인공장기 분야는 대략 약 4가지의 방향으로 진행 될 전망이다. 이 중 많은 부분은 아직 실험단계에 있는 것들이지만 모두 무한한가증성을 가지고 있고 일부는 이미 임상에서 미이 응용 중인 것도 있다. 각 분야를 소개하면 다음과 같다.
1.전자장치를 이용한 인공장기-신(新) 육백만불의 사나이
첫째는 고도로 발달된 정자공학을 이용하여 더욱 진일보한 혼합형 인공장기를 개발하는 것이다. 일례로 망막의 손상으로 시력을 읽은 환자에게 빛을 감지하고 그것을 전기 시그널로 바꾸어 주는 조그만 전자 칩을 망막에 심어 시신경과 연결해 줌으로서 시력을 되찾게 하는 방법이 있다.
공상과학에서나 나올 듯한 이 기술은 이미 1996년 미국에서 72세 된 환자에게 시술되어 비록 일부이지만 시력의 회복에 성공하였고 미국, 일본, 독일 3나라의 6개 연구소에서 연구에 박차를 가하고 있어 향후 5년 내게 대규모의 임상실험이 이루어 질 예정이라고 한다.
청각장애의 경우에도 이와 유산 연구가 진행되어 미국 캘리포니아의 Advanced Bionics, Symponix 두 회사에서 implant를 개발하여 임상 실험 중에 있으며 당뇨병 치료에도 인체와 거의 유사한 수준의 혈당 감지 센서가 부착된 인슐린 자동 투여 장치가 사용되고 있다. 아주 미세한 동작을 하는 전자 팔 다리가 수족이 절단된 환자에게 이용되는 날도 그리 멀지만은 않을 것으로 추측된다.
2.동물장기의 이식-면역 조절이 관건
두 번째의 방법은 유전공학 기술을 이용하여 거부반응이 일어나지 않도록 처리된 동물의 장기를 이식하는 방법이다. 동물의 장기를 사람에게 이식한다는 아이디어는 아주 매력적이어서 1963년 미국의 Keith Reemtsma가 최초로 침팬지의 신장을 6명의 환자에게 이식하였을 당시 큰 주목을 받았으며 실제로 한 환자는 9개월을 생존하면서 직장에 복귀할 정도로 회복이 되어있다.
그러나 2년이 목 되어 모든 환자가 사망하였으며 그 뒤 이종이식 분야의 연구는 단절되다시피 하였다. 그러나 그로부터 거의 40년이 지난 지금 면역학의 발달과 강력한 면역 억제제의 개발, 그리고 유전공학의 발달은 과학자들이 2-3년 전부터 다시 이 분야의 연구를 재개하도록 만들었다.
이를 위하여 영장류를 비롯한 많은 종류의 동물들이 연구되고 있으나 현재 이종이식에 자강 관심의 대상이 되는 동물들이 연구되고 있으나 현재 이종이식에 가장 관심의 대상이 되는 동물은 돼지이다. 그 이유는 돼지의 장기 크기가 사람과 비슷하고 한번에 약 12마리의 새끼를 출산하므로 수급에도 유리하기 때문이다.
그러나 돼지는 침팬지 등 영장류에 비하여 사람과 유전적으로 더욱 큰 차이가 있으므로 이식 후 수 시간 내에 발생하는 초급성 거부반응(hyperacute rejection)이 가장 문제가 된다. 어떤 약물도 이런 초급성 거부 반응을 막을 수 없기 때문에 연구자들은 유전공학을 이용한 방법을 사용하기로 하였다.
미국 프린스톤에 있는 Nextran사는 유일하게 FDA에서 형질전환 돼지(transgenic pig)를 생산하도록 인가를 받은 회사이다. 이 회사의 연구자들은 돼지의 유전자를 조작하여 장기 표면에 사람의 단백질이 도포되도록 함으로써 이 장기가 사람들에게 이식되었을 때 면역체계로부터 발각되지 않도록 숨겨주는 역학을 하게 한다.
이 실험실에서는 이 방법을 사용하여 돼지의 장기를 원숭이에게 이식하였을 때 급성 거부반응을 억제하는데 성공하여 인체 적용의 가능성을 예고하였다. 또 다른 방법은 사람의 골수 세포를 태아 상태의 돼지에 주사하고 돼지가 출생하면 다시 돼지의 세포를 사람에 주입하여 사로 면역학적 관용상태를 유도함으로서 장기의 거부반응을 억제하는 기술이 연구 중에 있다.
이와는 별도로 큰 장기가 아닌 조직의 일부만을 이식하는 경우에는 조직을 미세한 구멍이 뚫려 있는 얇은 막으로 싸서 이식하므로 면역세포로부터의 공격을 막는 소위 면역격리(immunoisolation)의 방법이 개발되어 임상실험중이며 파킨슨병 환자의 배성 간세포(embryonic stemcell)의 분리 및 배양 성공 소식은 이런 윤리적인 문제점을 해결할 수 있다.
즉 지능을 가진 한 생명체를 복제하는 것이 아니라 필요한 장기의 간세포만 분리하여 분화시킴으로 장기를 생산하고자 하는 것이다. 물론 이러한 간세포를 체외에서 원하는 방향으로 분화 시켜 장기를 형성 할 수 있는지 이러한 이렇게 만들어진 장기가 제 구실을 할지는 현재로서는 미지수이나 분명 도전해 볼 만한 가치가 있는 것이며 현재 생명과학의 발전 속도로 미루어 볼 때 충분히 가능성이 있는 방법으로 예상한다.
4.조직공학-기증자 없는 장기 이식
네 번째 방법은 최근 각광을 받고 있는 조직공학을 이용한 장기의 생산이다. 조직공학이란 사람의 세포를 체취, 배양하고 이를 3차원적인 생분리성 폴리머에 심어 조직이나 장기를 체외에서 형성하고 이를 다시 이식하는 기술로 대부분의 경우 환자 자신의 세포를 이용하기 때문에 면역학적 거부반응의 우려가 없고 생명자체를 복제하는 것이 아니므로 윤리적인 문제점도 배제된다고 할 수 있다.
현재 피부나 연골과 같은 단순한 장기의 경유에는 이망에서 적용되고 있을 정도로 성과가 있으며 간, 신장 등 구조나 기능이 복잡한 장기에 있어서도 생명과학자와 재료공학자들 간의 긴밀한 협조로 빠른 진전이 나타나고 있다.
1999년 5월 우리나라 기술로도 연골조직의 합성이 가능하다는 사실이 발표되었고 1999년 12월에는 캐나다 오타와 대학의 메이 그리피스가 사람의 각막세포를 배양하여 각막을 체외에서 배양에 성공하였다고 발표하여 ‘기증자 없는 장기이식’이라는 조직공학의 목표에 한 걸음씩 다가가고 있다고 할 숭 있으며 앞으로 21세기에는 장기이식이 필요한 많은 환자들에게 실제 많은 도움을 줄 수 있을 것으로 기대한다.
<꿈은 현실로>
생명과학 분야에 있어 지난 20년간은 그야말로 눈부신 발전이 있었다. 특히 기초 과학자와 임상의사의 긴밀한 협조는 많은 연구 결과들을 치료의학에 도입하여 질병으로 고통 받고 있는 환자들에게 도움을 줄 수 있었다.
21세기를 목전에 둔 지금 우리는 위에서 열거한 방법중 어느 것이 먼저 성공을 거둘지 알지 못하나 생명과학의 놀라운 발전 속도로 미루어 볼 때 이 중 많은 연구가 실현되리라는 점은 의심의 여지가 없다. 다만 우리가 잊지 말아야 할 것은 이런 연구의 중심에 지금도 새로운 치료법을 기다리며 고통 받고 있는 환자가 있다는 점이다.
아들을 위하여 우리들은 눈을 크게 뜨고 생명과학 분야에서 어떤 발견이 이루어지는지 주시하고 있어야 할 것이고 또 많은 의사들이 이 분야의 연구에 참여하여야 할 것이다. 그런 노력이 계속 될 때 21세기의 가까운 미래에 꿈은 현실로 바꾸는 현장에서 주역이 될 수 있을 것이다.
