3D 바이오프린팅 기반으로 망막정맥폐쇄 질환의 '체외' 구현 성공
가톨릭대학교 은평성모병원, POSTECH, 한국외대 공동 연구팀이 망막정맥폐쇄 질환을 실험실 환경에서 재현하는 데 성공하였습니다. 이 연구는 실제 환자의 병리 과정을 모사할 수 있는 기반을 마련함으로써 임상 및 맞춤형 치료 개발에 있어 중요한 전기를 마련하였습니다.
망막정맥폐쇄 질환과 기존 연구의 한계
망막정맥폐쇄(Retinal Vein Occlusion, RVO)는 고혈압, 당뇨 등 만성 질환의 영향으로 망막 내 정맥이 폐색되면서 혈류가 차단되는 실명 유발 질환입니다. 혈류의 정체는 황반부종, 신생혈관 형성 등을 야기하며 시각 손상을 초래할 수 있습니다.
기존 치료는 증상 완화에 주력하였으나 재발 가능성이 높고 병리적 기전을 정확히 모사할 수 있는 실험 모델이 부족하여 근본적 해결에 난점이 존재하였습니다.
기존 연구는 주로 동물 모델과 2차원(2D) 세포배양에 의존하였으며, 이러한 접근법은 동물-인체 사이 생리적 차이와 망막 혈관의 복잡한 3차원 구조 반영에 한계를 보였습니다. 특히, 혈관 협착 및 저산소증에 의한 상호작용을 충분히 설명하지 못해 임상 응용의 타당성을 확보하기 어려웠습니다.
이에 따라 보다 실제에 가까운 병리 환경을 체외에서 구현할 수 있는 기술 개발이 요구되어 왔습니다.
3D 바이오프린팅을 활용한 칩 기반 질환 재현
연구팀은 3D 바이오프린팅 기술을 바탕으로 ‘망막-온-어-칩(retina-on-a-chip)’ 구조를 개발하였습니다. 이 구조는 실제 망막 조직으로부터 세포만 제거한 세포외기질(ECM)을 기반으로 한 하이브리드 바이오잉크를 이용하여, 망막 고유의 생화학적 신호와 물리적 구조를 반영한 환경을 구현하였습니다.
특히 다중 노즐과 삼중 동축 프린팅 기법을 활용하여 망막 내 혈관, 세포층, 혈액-망막 장벽까지 동시에 제작하는 데 성공하였습니다. 여기에 특정 혈관 부위를 인위적으로 협착시켜, 질환 진행 초기 단계인 허혈 상태를 유도하고, 후속적으로 염증, 혈관 누출, 기능 저하 등의 병리적 특징을 연속적으로 관찰할 수 있도록 하였습니다.
"아파트 배관이 막혀 역류하는 것처럼, 망막의 정맥 흐름이 차단되면 황반부종과 혈관 이상 신생이 유발되어 시력을 급격히 잃게 된다."
- 연구팀 설명 중
실험 결과 및 약물 반응 메커니즘 확인
이 칩 기반 모델에서 관찰된 병리적 반응은 실제 임상 환자와 유사한 양상을 보였습니다. 염증 유발 사이토카인 증가, 내피세포 손상, 장벽 투과성 증가 등 망막정맥폐쇄 환자에서 나타나는 핵심 병리 기전이 칩 위에서 재현되었습니다.
또한 기존의 치료제인 아스피린(항염증 작용), 덱사메타손(스테로이드), 베바시주맙(항혈관신생제) 등을 투여하였을 때, 각각의 약물이 질환 진행을 효과적으로 억제했으며 그 반응 양상 또한 환자에서 보고되는 결과와 유사하게 나타났습니다.
이를 통해 칩 기반 플랫폼이 실제 약물 반응 예측뿐 아니라 신약 후보물질의 전임상 효과를 검증하는 데도 충분한 정밀도를 가질 수 있다는 점이 입증되었습니다.
환자 맞춤형 치료 전략 구현의 가능성
이번 성과는 망막정맥폐쇄와 같은 복합 병인성 질환에 대해 환자 특이적인 병리 조성을 모사하는 실험 환경을 구현하였다는 점에서 의의가 큽니다. 특정 환자에서 유래한 조직 기반 바이오잉크 사용이나 병변 재구성도 가능하므로 향후에는 환자 맞춤형 치료 플랫폼으로 확장하는 것이 현실적인 다음 단계로 제시되고 있습니다.
은평성모병원의 원재연 교수는 다음과 같이 평가하였습니다.
"망막정맥폐쇄 환자마다 질환 경과와 약물 반응이 상이한데, 이번 칩 모델을 통해 이를 체외에서 분석하고 예측하는 기반을 갖추게 되었습니다. 임상 치료 효율을 높이는 데 도움이 될 것입니다."
이와 같은 기술은 단순 질환 모사에서 그치지 않고, 환자의 유전체 혹은 조직 특성을 반영한 진단과 치료 시뮬레이션에도 응용될 수 있습니다.
3D프린팅 시제품 개발은 의료 분야에서의 혁신적인 진보를 이루고 있으며, 한양3D팩토리는 이러한 발전에 기여하고 있습니다. 앞으로도 3D프린팅을 통해 정밀하고 실용적인 의료 솔루션 개발이 지속되길 기대하겠습니다.
