바이오 인공장기(Bioartificial Organs)

과학(Science)/산업 (Industry)

바이오 인공장기(Bioartificial Organs)

SURPRISER - Tistory 2021. 10. 6. 03:24

0. 목차

'바이오 인공장기'란 무엇인가?
장기 이식의 역사
'바이오 인공장기'의 분류
이종장기 이식
세포 기반 인공장기
전자 기기 인공장기
'바이오 인공장기' 연구 사례
'바이오 인공장기' 시장 전망
'바이오 인공장기' 관련 기업

1. '바이오 인공장기'란 무엇인가?

'바이오 인공장기(Bioartificial Organs)'란 인간의 '장기(Organ)'가 손상되었을 때 이를 대체할 수 있도록 만든 인공 장기이다. '장기(Organ)'란 좁은 의미에서는 조직이 모여 특정한 역할을 하는 '기관'을 의미하는 것이지만 넓은 의미에서는 세포와 조직을 포함한 개념으로도 사용될 수도 있다. '바이오(Bio-)'라는 말을 붙여 '바이오 인공장기'라고 부르는 이유는 '인공장기'는 단순히 기계적 장치의 의미가 강해 생체 시스템이 접목된 '장기 대체 기술'까지 포괄하기에는 부족하겠다는 판단에서다. '인공적인 장기'와 '생물학적 장기'를 구분하는 것 또한 큰 의미가 없다고 생각된다.

현재 '바이오 인공장기(Bioartificial Organs)' 기술은 연골이나 인공피부 정도에 한정되어 있다. 기존의 기계 인공장치 또한 장기를 완전히 대체하는 것이 아니라 장기 이식을 기다리는 동안 일부 기능을 대체하고 보조하는 정도의 수준에 머물러 있다. 하지만 현재 면역조절 기술, 역분화 줄기세포, 분화 및 배양기술, 3D 바이오 프린터 기술들이 급속히 발전함에 따라 앞으로 면역거부반응에 따른 세포 괴사 등의 문제가 해결될 것으로 보인다. 2030년대 무렵 쯤에는 동물에서 유래한 세포나 조직, 혹은 자신의 줄기세포를 이용하여 세포나 조직을 일부 대체하고 상용화할 수 있는 수준까지 기술이 발전할 것으로 예측된다. 바이오 인공장기 시장도 고령화와 함께 급격히 성장할 것으로 전망된다. 부위에 따라 발전 속도 또한 다를 것으로 예상되는데 각막, 췌도, 신장, 심장, 간, 폐 순서로 개발될 것으로 전망하고 있다.

장기 부족 문제에 시달리고 있는 지금, 바이오 인공장기 기술의 발전이 절실하다. 우선 장기 부족 문제가 얼마나 심각한지 잠깐 살펴보자. 기대수명이 늘어 만성질환이 증가함에 따라, '장기 이식 대기자'는 매년 증가하고 있지만 이에 비해 '기증자'는 매우 부족한 상황이다. 뿐만 아니라 '장기 이식을 기다리는 시간'은 2016년 기준으로 평균 1196일로 3년이 넘고, '이식을 기다리다 사망하는 환자의 수'도 매년 천 명이 넘는다고 한다. 물론 이는 우리나라만의 문제가 아니다. 미국의 경우도 2017년 기준으로 장기 이식 대기자가 12만 3398명이었던 반면 2016년에 장기 이식을 받은 환자는 약 16000여 명밖에 되지 않았다고 한다. 그러면 '장기 부족 문제'를 어떻게 해결할 수 있을까? 바로 '바이오 인공 장기'가 '장기 부족 문제'의 효과적인 해결책이 될 것이다.

2. 장기 이식의 역사

장기 이식에 관한 최초의 기록은 4세기 무렵까지 거슬러 올라가 간다. 당시 '소아시아(현재 터기 지역)'에는 성 코스마스와 성 다미만(St. Cosmas and Damian)이라는 쌍둥이 형제 의사가 살았다고 한다. 유스티니아누스 주교의 다리가 썩어 죽을 지경에 이르자 이 형제는 죽은 무어인(북아프리카인)의 다리를 이식했다고 한다. 이 사건은 인류 최초의 다리 이식으로 추정된다.
인도의 고대 서적에는 기원전 800년경부터 피부를 이식하는 수술이 이루어졌다는 기록도 있다. 고대 인도에서는 중범죄를 일으킨 사람의 코를 자르는 형벌이 있었는데 '수스루타(Sushruta)'라는 의사가 환자의 이마 피부를 잘라 코를 복원해주었다고 한다.
1597년, 이탈리아 '볼로냐(이탈리아어: Bologna)'에서도 의사 '가스파르 타그리아코치(Gaspare Tagliacozzi)'가 환자의 팔에서 피부를 떼어내 이마에 이식했다는 기록이 남아있다. 이는 자가 조직을 활용한 이식 기술로 현재 성형외과에서도 쓰이고 있는 '피판(Flap)'술 개념이다.
19세기 후반 독일에서는 부분 각막 이식을 시행하기도 했고 1904년의 오스트리아, 지금의 체코공화국에서는 의사 '에두아르트 짐(Eduard Konarad Zirm, 1863~1944)'이 사망한 소년의 각막을 실명한 환자에게 이식하는 수술에 성공한 적이 있다고 한다.

그러나 인류는 20세기가 될 때까지도 심장이나 간처럼 모양을 갖추고 있는 고형 장기 이식은 성공하지 못했다. 왜냐하면 장기 이식에 면역거부반응이 일어났고 외과 수술법도 충분히 발달하지 못했기 때문이다. 그리고 이러한 수술은 매우 끔찍한 고통을 수반하는데, 환자가 수술을 버텨낼 수 있을 만큼의 효과를 가진 마취제 또한 20세기에 와서 개발되었다.

The Healing of Justinian by Saint Cosmas and Saint Damian

2-1. 외과 수술법

장기는 무수히 많은 혈관이 연결되어 있다. 이 혈관으로 영양과 산소를 공급하는데 장기와 몸의 혈관을 연결하는 기술이 1910년 대가 되어서야 개발되었다. 먼저 '동맥 겸자'라는 도구가 개발되었는데 이 도구로 인해 동맥을 자른 후 혈관에 상처를 주지 않으면서도 잠시 혈액이 흐르지 않게 할 수 있게 되었다.

미국의 의학자인 '알렉시스 카렐(Alexix Carrel, 1873~1944)'은 '삼각 봉합법(혈관문합술)'을 통해 끊어진 혈관의 양 끝을 삼각형처럼 만들어 봉합하는 방법을 창안하여 1912년에 노벨 생리의학상을 받았다. 이 봉합법은 지금도 쓰이고 있다고 한다.

2-2. 면역억제제

가장 문제가 되었던 것은 '면역 거부 반응(Immune Rejection Response)'이었다. 우리의 인체는 이식되는 장기를 외부의 물질로 인식해 파괴하는데 이 현상을 '면역거부 현상'이라고 부른다. 인류가 각막의 이식을 가장 먼저 성공한 이유도 면역거부반응은 백혈구를 통해 일어나는데 각막의 경우 무혈관성 조직이라 면역거부반응이 일어나지 않았었기 때문이었다.

영국의 과학자 '피터 메더워(Peter Medawar)'는 토끼에게 다른 토끼의 피부를 이식하는 실험을 통해 강한 거부반응이 일어나는 것을 발견하고 이러한 현상이 이유가 면역반응 때문이라고 주장했다. 또 쌍둥이 소의 피부 이식 실험을 통해 태아 시절, 세포 교환이 이루어지면 면역 거부반응을 일으키지 않는 '면역 관용(면역학적 내성)'이 일어난다는 사실도 밝혀냈다. 이어 1954년에는 '니컬러스 에이브리언 미치슨(Nicholas Avrion Mitchison, 1928~)'이 백혈구의 일종인 림프구들이 면역거부반응의 주범이라는 사실을 밝혀냈다. 오스트레일리아의 생물학자 '프랭크 맥팔레인 버넷(Frank Macfarlane Burnet)'은 림프구가 외부물질을 공격하는 후천적 면역의 비밀을 밝혀냈고, 1958년 프랑스의 '장 도세(Jean Baptiste Gabriel Dausset, 1916~2009)'는 조직적합 항원 단백질이 있다는 사실을 밝혀냈다.

인류는 면역체계에 대해 이해하기 시작했고, 이후에는 이식 수술을 할 때 면역체계를 약화 약화시키려는 시도가 나타나기 시작했다. 처음에는 방사선을 쬐는 방법으로 골수를 파괴시켜 면역 반응을 줄이려고 했지만 사소한 감염에 병에 걸리는 등의 극심한 부작용이 나타났다. 곧 방사선을 쬐는 방법은 옳지 않다는 사실을 깨달았다. 이후 '6-메카토퓨린(6-mercaptopurine)'이라는 물질이 면역 세포의 활동을 억제한다는 사실이 알려지면서 '면역억제제' 개발이 시작되었다. 1960년대 초반에는 영국의 '로이 칼느(Roy Calne)' 박사가 '롤리팝'이라는 개의 신장 이식 수술을 위해 '아자티오프린(Azathioprine)'이라는 약을 사용했고, 1964년 미국의 '토머스 스타즐(Thomas Starzl)'은 '아자티오프린'과 스테로이드제를 사용하여 면역 거부반응을 크게 줄이는 데 성공하였다.

그리고 1972년에 획기적인 면역억제제가 등장했다. 스위스의 제약회사 '산도즈(Sandoz)' 사의 '장 보렐(Jean Borel, 1933~)' 박사가 곰팡이의 부산물인 '사이클로스포린(Cyclosporine)'을 발견한 것이다. '사이클로스포린'은 부작용이 적으면서도 강력했다. '사이클로스포린'은 지금도 사용되고 있는데, 사이클로스포린에 다른 면역 억제제를 함께 사용하는 '칵테일 요법'이 널리 사용되고 있다.

2-3. 장기별 이식의 발전

신장: 가장 먼저 이식이 시도된 고형장기는 신장이었다. 1933년에 '유리 보로노이(Yuri Voronoy)'는 신장 이식 수술을 집도하였는데 안타깝게도 환자는 면역거부반응으로 수술 후 이틀 만에 숨지고 말았다. 이후에도 면역거부반응을 해결하지 못해 대부분의 수술은 실패했고 1950년에 혈액형이 같은 타인의 신장을 이식받은 루스 티커(Ruth Tucker)라는 여성은 신장을 이식받은 후 11개월을 더 살았다. 1954년에 조지프 머리(Joseph Murray)는 로널드 헤릭(Ronald Harrick)의 신장을 일란성쌍둥이인 리처드 헤릭(Richard Herrick)에게 이식했다. 이후 리처드 헤릭은 8년을 더 살았지만 이 수술은 면역거부반응을 해결한 것은 아니었다.
췌장: 제1 당뇨병은 췌장이 인슐린을 분비하는 기능이 망가진 병이다. 당뇨병은 신장에도 영향을 끼쳐 신장도 망가뜨리는데, 이 때문에 신장 이식에 성공해도 췌장이 그대로면 신장이 다시 나빠지게 된다. 이러한 이유 때문에 1966년, 미국 미네소타 대학의 '릴리하이(Richard. Lillehei)'와 '켈리(William Kelly)'는 신장 이식과 췌장 이식을 동시에 시도했고 이 수술은 성공적이었다.
간: 신장 이식이 발전하면서 의사들은 간 이식에도 도전하기 시작했다. 간은 신장보다 크고 다루기 어렵고 혈액 공급이 중단되면 금방 망가지는 장기이다. 1983년 면역억제제인 '사이클로스포린'이 개발되기 전까지는 간 이식 수술 환자의 4분의 3은 1년 이내에 사망했다. 하지만 '사이클로스포린(cyclosporine)'이 개발되면서부터는 간 이식 환자의 90% 이상이 1년 이상 생존하고 있다.
폐: 폐는 외부와 지속적으로 반응하는 장기이기 때문에 면역거부반응을 제어하기가 어려운 장기이다. 1963년 최초로 폐를 이식받은 환자가 18일 만에 사망한 이후 15년간 폐 이식 환자 중에서 가장 오래 산 사람이 6개월일 정도로 폐 이식은 성공적이지 못했다. 하지만 1983년 캐나다의 '조엘 쿠퍼(Joel D. Cooper)'는 최초의 성공적인 폐 이식을 성공했고, 1993년에는 살아있는 사람끼리의 폐이식도 미국에서 이루어졌다.
심장: 최초의 심장 이식 성공은 1967년에 이루어졌다. 남아프리카 공화국의 외과의사 '크리스티안 바너드(Christiaan Barnard)'가 뇌사에 빠진 여성의 심장을 기증받아 심장병을 앓고 있던 55세의 남자에게 이식해 성공시켰다. 하지만 환자는 안타깝게도 면역 문제로 폐렴에 걸려 18일 만에 사망하였다. 바너드는 이듬해 다시 심장 이식 수술을 시도했고 환자는 18개월 동안 생존했다.
자궁: 최근에는 선천적 자궁기형으로 인한 불임 문제를 해결하기 위해 자궁 이식이 시도되고 있는데 2002년 사우리아라비아에서 26세 여성에게 자궁 이식을 하였으나 3달 만에 괴사하여 다시 제거했다고 한다. 2011년에는 23세 여성에게 자궁 이식을 하였는데 자궁 이식을 받은 여성이 정상적인 생리 주기에 접어들었다고 한다. 2014년 스웨덴에서는 자궁 이식을 받은 여성이 세계 최초로 출산을 하기도 했다. 하지만 자궁을 이식을 위해 면역거부반응을 제어하는 약물을 장기간 투입해야 하기 때문에 1~2번 출산하면 다시 제거해야 하는 단점은 해결하지 못했다.(2021년 기준)

3. 바이오 인공 장기의 분류

바이오 인공장기는 크게 '세 가지(이종 장기, 세포 기반 인공장기, 전자기기 인공장기)'로 나눌 수 있다. 이 개념들에 대해 먼저 간단하게 알아보자.

이종 장기: '이종 장기'는 인간의 조직이나 장기를 대체하기 위해 특수하게 개발된 동물의 조직이나 장기를 인간에게 이식하는 기술을 말한다. 이종장기 기술의 핵심은 '장기가 인체 내에 생착하도록 유도하는 기술(면역 반응 조절 기술을 포함)'이다.
세포 기반 인공 장기: '세포 기반 인공장기'는 세포나 생체재료 등을 이용하여 생체 조직이나 장기를 개발하는 기술을 말한다. '체세포', '줄기세포(Stem Cell)'를 이용한 바이오 장기 개발 기술이 여기에 속하며 '3D 바이오 프린팅(3D Bio Printing)' 기술도 여기에 속한다.
전자기기 인공 장기: '전자기기 인공 장기'는 생물학적, 기계-전자 기술을 융합하여 장기를 대체하기 위해 인공적으로 만든 장치를 말한다. 인공 감각기, 신경망과 연결 가능한 인공 의족이나 의수가 여기에 포함되며 완전 이식형 인공 장치 또한 이 기술에 포함된다.

3-1. '바이오 인공장기'의 기능

또한 인공장기 개발로 대체될 수 있는 인체 부위에 따라 다양한 분류가 가능하다. 대표적으로 '인공 심장(Artificial Heart)', '인공 신장(Artificial Kidney)', '인공 혈관(Artificial Blood Vessel)', '인공 피부(Artificial Skin)', '인공 관절(Artificial Joint)', '인공 눈(Artificial Eye)', '인공 간(Artificial Liver)', '인공 췌장(Artificial Pancreas)', '인공 자궁', '인공 척수', '인공 근육' 등이 있다.

인공 심장(Artificial Heart): '인공심장'은 심장근육이나 혈관 등에 이상이 생긴 환자가 정상 박동을 유지할 수 있도록 도와주는 장치이다. 심장병 환자를 약물이나 수술로 치료할 수 없을 경우, 만지막 수단으로 사용한다. 인공심장은 전체 심장을 대신하는 '완전 인공심장(Total Artificial Heart)'과 부분적으로 기능을 대신하는 '심실 보조 장치(Ventricular Assist Device)'로 나눌 수 있다.
인공 신장(Artificial Kidney), 혈액투석기: '인공신장'은 만성신부전증 환자의 혈액 속에 있는 노폐물이나 독성물질을 걸러주는 장치이다. 가장 보편화된 혈액투석기는 혈액 중의 요소가 고분자 투석 막을 통해 투석액에서 빠져나오도록 한 것이다.
인공 혈관(Artificial Blood Vessel): '인공혈관'은 주로 '폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)', '폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)'의 고분자 재료가 주로 사용된다. 인공혈관의 조건은 소독이 가능하고 꼬이지 말아야 하며, 계속 수축 및 팽창 작용을 통해 혈관 내에서 상당한 압력을 받으며 흐르는 혈류를 견딜 수 있는 유연성과 기계적 물리적 특성을 지녀야 한다.
인공 피부(Artificial Skin): '인공피부'는 화상이나 외상 부위에 수분이나 체액의 손실을 억제하여 심한 탈수 증세로 인한 생명의 위협과 세균감염을 방지하여 화상 및 외상 부위를 보호하면서 치료를 촉진시키는 데 있다. 인공피부는 밀착성이 좋아야 삼출액을 억제할 수 있으므로, 인공피부 개발 시 유연성·신축성·흡수성이 매우 중요하다.
인공 관절(Artificial Joint): '골관절염', '류마티스성 관절염'에 의하여 관절이 파괴되면, 인공관절의 이식이 필요하다. 현재 모든 생체 관절에 대하여 인공관절이 개발되고 있다.
인공 눈(Artificial Eye): '인공눈'은 현재 망막이 파괴되는 희귀병 환자를 대상으로 임상 실험 중에 있다. 시력을 잃은 환자에게 생체공학 눈을 이식하여 일부 시력을 회복시키는 단계는 이미 달성했다. 인공눈에는 망막의 광수용체를 대신할 수 있는 1천여 개의 감광 센서가 들어있으며, 배터리에 의한 전기 파동으로 작동되도록 형성된다.
인공 간(Artificial Liver): '인공 간'은 간세포를 성장·유지할 수 있는 분위기를 생물반응기 형태로 만들어 주어, 간세포가 수행할 수 있는 대표적인 '해독작용', '혈액 정화작용' 등을 수행하는 인공 장치이다. 인공 간의 개발 수준은 미흡한 실정이다.
인공 췌장(Artificial Pancreas): '인공췌장'은 혈당에 반응하여 적정 수준의 인슐린을 공급한다.

4. 이종 장기

인류 역사상 최초의 이종 이식은 수혈이었다. 17세기 중반부터 프랑스의 과학자들은 동물을 이용한 수혈을 연구했는데 실제로 1660년대 프랑스 의사 '장 바티스트 드니(Jean Baptiste Denis)'가 환자에게 양의 피를 수혈했다는 기록이 남아있다. 이후에는 양, 토끼, 개, 고양이 등의 동물의 피부를 사람에게 이식하려는 시도가 있었다. 1838년에는 미국의 '리처드 키쌈(Richard Kissam)' 박사가 돼지의 각막을 청년에게 이식하여 잠깐이나마 시력을 되찾을 수 있었다고 한다. 1906년에는 염소의 신장을 사람에게 이식했다.

물론 잇따른 실패를 맛보게 되었지만, 유인원의 장기를 사람에게 이식하려는 시도도 많았다. 미국 툴레인 대학교의 키이스 림츠마 교수는 1963년대에 침팬지의 신장을 사람에게 이식했고 이와 비슷한 수술을 13건 수행했지만 한 명이 9개월 더 생존한 것을 제외하면 대부분 4~8주 안에 사망했다. '토마스 스타즐'도 개코원숭이의 신장을 인간에게 이식하려 여러 번 시도했지만 결과는 비슷했고 장기적으로 생존한 환자는 없었다. 심장, 간의 이종 이식 수술도 있었지만 면역거부반응 때문에 이식 기술의 발전은 지지부진하기만 했다. 더구나 이종 간 장기 이식의 경우 동종 간 장기 이식의 경우보다 면역거부반응이 더 심하게 일어난다.

4-1. 형질 전환 미니돼지를 이용한댜.

2000년대에 들어서는 인체에 거부반응을 일으키는 유전자를 제거한 형질전환(transformation) 돼지를 만들어내면서 이종장기 개발도 급물살을 타게 된다. 형질 전환이란 쉽게 말해 유전자의 일부를 잘라내거나 끼워 넣어 유전적 형질을 변화시키는 기술을 말한다. 이종 이식 시 일어나는 거부반응은 '초급성 거부반응(HAR: hyperacute rejection)', '급성 혈관성 거부반응(AVR: acute vascular rejection)', '세포 매개성 거부반응(CMR: cell-mediated rejection)' 순으로 일어나는데 최초의 형질전환 돼지들은 이 중 '초급성 거부반응'을 일으키는 유전자를 제거했다.

돼지의 장기를 그냥 사람에게 이식하면 사람의 면역체계가 돼지의 장기 표면에 존재하는 '알파-갈락토오스'와 반응하여 초급성 거부반응이 일어나 장기를 못쓰게 되고 생명까지 위험해진다. 그래서 '초급성 거부반응'을 해결할 방법은 찾았다는 것은 이종이식의 가장 중요한 고비를 넘긴 것으로 평가된다. 물론 이종장기 이식을 위한 난제들이 남아있기 때문에 형질 전환 미니돼지 개발은 지금도 계속되고 있다. 미국에서는 2012년에 초급성, 급성 거부반응을 일으키는 유전자를 제거한 돼지를 개발했고 2014년에는 초급성, 급성 혈관성 거부반응을 제어한 돼지를 개발했다고 한다.

그러면 왜 하필 돼지였을까? 사실 초기의 과학자들은 유전적으로 가까운 원숭이 같은 영장류의 장기를 사용하려고 했었다. 하지만 몇 가지 문제가 있었다. 대부분 멸종 위기였고 한 번에 1~2마리 정도만 출산하며 장기의 크기도 인간보다 작은 경우가 많았다. 반면 작은 크기로 개량한 돼지의 장기는 인간의 장기 크기와 비슷하고 돼지는 임신기간도 127일로 짧은 편이며 5~12마리 정도의 새끼를 낳을 수 있고 까다로운 조건이 아니더라도 잘 자란다. 또한 인간과 유전적으로 너무 멀지도 않으며 대량 사육이 가능하고 사람에게 치명적인 감염원을 보유하고 있을 가능성도 적었기 때문이다.

그러면 이종장기 기술의 수준은 지금 어느 정도까지 올라왔을까? 이미 미국, 중국, 일본, 뉴질랜드에서는 돼지의 췌도를 사람에게 이식하는 임상실험을 실시하고 있다. 제1형 당뇨병은 췌도에서 '인슐린(insulin)'이 제대로 분비가 되지 않는 병이다. 인슐린은 입으로 섭취하면 위에서 분해돼버려서 주사로 맞아야 하는데 췌도 이식은 제1형 당뇨병 환자들이 택할 수 있는 대안이 될 수 있을 것이다.

4-2. 해결해야 할 문제

최첨단 면역억제 기술의 동원되어 형질전환 돼지가 탄생했지만, 여전히 간과 폐의 이종 이식은 발전이 더디다. 왜냐하면 항체 중심의 거부반응과 혈액 응고가 심한 장기의 특성을 극복할 방법을 아직 찾지 못했기 때문이다. 감염병 우려도 극복해야 한다. 돼지의 장기를 인체에 이식하면 '레트로 바이러스(PERV: Porcine Edogenous Retrovirus)'를 옮길지도 모르며, 이 바이러스가 돌연변이를 일으켜 인류를 위협할지도 모른다. 과학자들은 이 문제를 'CRISPR-Cas9' 같은 유전자 가위 기술로 해결할 수 있을 것으로 보고 있다.

5. 세포 기반 인공장기

'세포 기반 인공장기' 기술은 세포나 생체재료를 이용하여 조직을 만들어내는 기술이다. 세포 기반 인공장기 기술의 핵심 기술은 '줄기세포 기술'과 '3D 바이오 프린팅 기술'이다. 이론상으로 줄기세포는 인체의 모든 세포나 조직으로 분화할 수 있다. 그리고 3D 바이오 프린팅 기술은 동물의 세포나 인체 세포를 포함한 '바이오 잉크'를 삼차원 구조로 찍어내는 기술이다. 현재 개발 중인 '세포 기반 인공장기'는 주로 3D프린터를 이용해 생체재료로 지지체를 만들고 세포와 조직을 붙이는 형식이다. 줄기세포와 3D 바이오 프린팅 기술을 활용하여 간, 폐, 심장 등의 '오가노이드(미니 장기, 유사 장기)'는 이미 만들어지고 있다. 미래에는 다양한 분야의 융합기술이 접목되어 '오가노이드(Organoid)' 수준을 넘고, 궁극적으로는 맞춤형 인공장기 형태로 발전해 나갈 것으로 예상된다.

장기를 만드는 과정은 다음과 같다. 우선 몸에서 몇 개의 세포를 추출한 후, 원하는 장기 모양으로 미리 만들어놓은 틀에 주입한다. 이 틀은 언뜻 보기에는 스펀지처럼 생겼지만, 사실은 무생물에 의해 분해되는 '폴리글리콜산(Polyglycolic Acid)'으로 되어 있다. 이 안에서 적절한 환경을 만들어주면 세포가 자라나면서 틀이 서서히 분해되고, 최종적으로 완벽한 장기가 만들어진다. 하지만 어떤 장기들은 제작이 늦어지고 있다. 세포에 피를 공급하는 '모세관(Capillary Tube)'이 문제이다. 우리 몸에 있는 모든 세포들은 끊임없이 피를 공급받아야 하는데, 모세관을 만들기가 어려워서 제작에 어려움을 겪고 있는 것이다. 또한 장기의 구조가 복잡할수록 만들기가 어려워진다. 예컨대 혈액 속의 독소를 걸러내는 신장은 수백만 개의 필터로 이루어져 있는데, 이렇게 복잡한 구조를 형틀로 제작하기란 결코 쉬운 일이 아니다.

하지만 뭐니 뭐니 해도 가장 만들기 어려운 장기는 역시 사람의 사람의 '두뇌(Brain)'이다. 조직공학이 아무리 빠르게 발전한다 해도 수십 년 이내에 두뇌가 생산될 가능성은 매우 낮아 보인다. 다만 젊은 뇌세포를 머릿속에 주입해서 손상된 부위의 기능을 회복시키는 것을 가능할지도 모르겠다. 필요한 세포를 적재적소에 주입하는 것은 불가능하지만, 사람의 두뇌는 워낙 적응력이 뛰어나기 때문에, 시술 후 몇 가지 기능을 다시 배우기만 하면 뉴런의 연결이 회복되면서 원래의 기능을 발휘하게 될 것이다.

6. 전자기기 인공장기

'전자기기 인공장기'란 기계와 전자기술을 이용해 제작한 인공장기를 뜻한다. 원래 전자기기 인공장기는 '장기 이식'을 기다리는 동안 일시적으로 기능을 대체, 보조하는데 주로 쓰였다. 하지만 요즘에는 생체정보와 상호작용하는 착용형, 이식형 장치도 개발되고 있다. 앞으로 웨어러블 인공 신장, 인공 눈, 신경신호에 의해 제어되는 인공 의수나 인공 의족 등의 전자기기 장치도 나올 것으로 기대된다. 현재에는 수 시간 동안 심장과 폐의 기능을 대신하는 '심폐바이패스(CPB: Cardiopulmonary bypass)', 'TPLS(Twin Pulse Life Support)', '혈액 투석기', '심실 보조장치', 몸 밖에서 수 주간 가스 교환을 하는 'ECMO(Extracorporeal Membrane Oxygenation)' 등의 초보적인 인공장기가 상용화되어있다. 그러나 이러한 기계는 인공장기라기보단 체외 보조장치로 분류되고 있다.

7. '바이오 인공장기' 연구 사례

7-1. 인공 간

인공 간은 오가노이드 분야에서 가장 앞서 나가고 있다.

2013년, 미국의 '오가노보(Organovo)'사는 수 만 개의 세포로 이루어진 바이오 잉크, 자체 개발한 3D 바이오 프린터를 사용해 1cm가 채 안 되는 미니 인공 간 'ExViveTM'을 제작하는 데 성공하였다. 간세포와 간성상세포, 내피세포 등으로 이루어진 이 '인공 간'은 42일간 생명활동을 유지했다.
2016년, 인도의 '팬도럼 테크놀러지스(Pandorum Technologies)'에서는 인간의 간 생체조직을 3D 바이오 프린터로 구현해냈다. 젤리 성분의 '바이오잉크'로 원하는 모양의 지지체를 만든 다음 세포를 증식, 분화시켜 3차원적인 구조와 조직을 만든 것이다.
2016년, 농촌진흥청, 서울대, 강원대 공동연구팀은 면역거부반응이 없는 간을 제작하는 데 성공하였다.

7-2. 인공 신장

혈액 투석 방법은 1924년 독일의 '조지 하스(George Haas)'에 의해 처음 인간에게 시도되었다. 그리고 2차 세계대전 말인 1943년 네덜란드의 '콜프(Willem Kolff)'가 셀로판 막을 사용한 회전 드럼 투석기(Rotatin Drum Dialyser)'를 개발함으로써 상용화되었다. 그러나 혈액투석을 위해서는 환자가 주 12시간 이상을 병원에서 보내야 하며 동정맥으로 인한 미관상의 문제가 있다. 그래서 이를 해결하기 위해, 현재 신장을 완전히 대체하는 체내이식형 인공을 개발하기 위해 다양한 연구가 진행되고 있다.

2010년, '미국 캘리포니아 대학'과 '클리블랜드 클리닉', '오하이오 주립대학' 등 미국의 10개 관련 전문가 팀은 공동으로 2010년 사상 최초의 이식용 인공신장을 개발하고 있다고 밝혔다. 이 인공신장은 '생물 반응기(Bioreactor)'과 실리콘 '바이오 필터(Biofilter)'로 구성되어 있어, 혈액으로부터 독성 물질을 걸러낼 뿐 아니라 신장의 대사 기능과 수분조절 기능까지 함께 수행할 수 있다고 한다. 또한 인체의 혈압 외에는 배터리 등의 외부 동력이 필요하지 않아, 면역거부반응 없이 이식 가능한 인공장기로 관심을 끌었다.
2013년, 미국 '매사추세츠 병원(MGH: Massachusetts General Hospital)'에서는 살아있는 쥐의 신장을 떼어낸 후 세포를 모두 제거하고 결합조직만 남긴 후 다시 세포배양을 통해 인공신장을 만들었다고 발표했다. 이 인공신장은 '생체 외'에서 정상적으로 작동했고, 다른 쥐의 체내에 이식한 후에도 소변을 만드는데 성공했다고 한다.
2015년 9월, 일본의 자혜회 의과대학에서는 인체 줄기세포를 이용해 만든 신장을 돼지와 쥐에게 이식했다.

7-3. 인공 폐

2015년 3월, 미시간 의과대학 등 다수의 기관이 참여한 연구팀은 기증받은 폐의 줄기세포를 떼어 폐 오가노이드를 개발 중이라고 밝혔다. 초기 폐 세포 조직을 100일 동안 배양하여 가스 교환이 일어나는 허파꽈리 세포 조직을 생성시키는 데 성공했다고 보고했다.
2021년, '포항공과대학교(Postech)'의 연구팀은 3D 프린팅을 이용해 인공 폐를 만들었다. 산소와 이산화탄소가 이동하는 폐포막은 '상피층-기저막-내피 모세혈관층' 3층 구조로 기체의 이동이 쉬운 아주 얇은 두께로 되어있다. 이전까지는 이렇게 얇고 복잡한 폐포를 만드는 게 어려웠다. 하지만 연구진들은 '드롭-온-디맨드'라는 방식의 고정밀 잉크젯 프린팅을 이용하여 고해상도로 층층이 쌓아 약 10㎛의 얇은 두께를 가진 3층 폐포 장벽 모델을 만드는 데 성공했다. 인공 폐에 인플루엔자 바이러스를 감염시켜 반응하는 실험을 해본 결과 실제 조직 수준의 반응이 나타난다는 것 또한 밝혀냈다.

7-4. 인공 심장

1982년, 콜프 메니칼 사에서 개발된 인공심장 '자르빅-7(Jarvik-7)'은 환자 '바니 클락(Barney Clark)'를 112일 동안 연명시켰다. 1994년에도 인공 심장 '하트메이트(HeartMate)'가 FDA에서 인가되어 상용화됐다. 하지만 이러한 인공 심장들은 실제 심장을 이식하기 전에 사용하는 임시방편용이었을 뿐이고, 커다란 압축공기 구동장치를 달아야 해 일상생활도 할 수 없었다.

이후 인공심장 개발은 '보조 인공심장(VAD: Ventricular Assist Device)'과 '완전 인공심장(TAH: Total Artificial Heart)'으로 나뉘어 개발됐다. '보조 인공심장'은 심장의 기능을 도와주는 역할을 하고 '완전 인공심장'은 전체 심장을 떼어낸 후 이식하여 그 기능을 대신하게 된다.

2001년, 미국 켄터키주 루이빌 대학 의료진은 7시간의 수술 끝에 '아비오코르(AbioCor)라는 이름의 인공심장을 환자에게 이식하는 데 성공했다. 2006년에 FDA의 승인을 받은 '아비오코르(AbioCor)' 인공심장은 소형 배터리로 구동되어 환자에게 이동의 자유를 주었다.
2004년에 '시카디아(CynCardia)'사에서는 환자의 심장을 제거하고 삽입하는 형태의 '완전 인공심장(Temporary Total Artificial Heart)'을 FDA로부터 승인받았다. 이는 장기 이식을 기다리는 동안 심장의 펌프 기능을 대신해 주는 생명유지 장치이다.
2008년, '소라텍(Thoratec)' 사는 보조인공심장 제품 '하트메이트3(Heartmate3)'를 FDA로부터 승인받았다. '하트메이트3'는 유럽에서 상용화된 보조인공심장으로, '심청부(심장의 꼭짓점 부분)'에 이식하여 사용한다.
2014년 2월에는 미국 일리노이 대학교의 어바나-샴페인 캠퍼스와 워싱턴대학교 공동연구팀에서 3D 프린터로 무한동력 심장을 만들었다고 발표했다. 연구팀은 금형 막대에 생체조직을 덧씌워 크기 조절과 움직임을 실시간 모니터링이 가능한 심장을 만들었다. 다만 이 심장을 상용화하기 위해서는 10년 정도의 추가 연구 기간이 필요하다고 덧붙였다.
2016년, 미국에서는 돼지의 심장을 개코원숭이에게 이식하여 945일 동안 생존시키는 데에도 성공하였다.
2016년 농촌진흥청 국립축산과학원과 건국대학교 윤익진 교수팀은 돼지 심장을 원숭이에게 이식해 국내 최장인 60일간 생존하는 기록을 세웠다.
2016년, 울산과학기술원과 미국 웨이크 포레스트 재생의학 연구소는 3D 바이오 프린팅을 이용하여 길이가 0.25mm인 초소형 인공심장을 만들었다. 이 인공심장은 전지 자극에 움직이고 심장 박동 속도도 실제 심장과 동일하다.
2016년, UC 버클리 연구진 등은 역분화 줄기세포를 이용해서 스스로 뛰는 0.5mm 크기의 미니 심장을 만들었다.
2016년 농촌진흥청 국립축산과학원과 건국대학교 윤익진 교수팀은 돼지 심장을 원숭이에게 이식해 국내 최장인 60일간 생존하는 기록을 세웠다.
2017년 1월, 3D 바이오 프린팅으로 죽은 심근조직에 혈관이 생성되도록 도울 수 있는 심근 패치를 개발하였다. 심장 줄기세포와 성체 줄기세포 종류인 중간엽줄기세포를 3D 바이오 프린팅으로 이중 배열하고 내부에 혈관 내피성장인자를 넣는 방법을 사용했다.

7-5. 인공 혈관

인공혈관을 만드는 데도 세포 기반 인공장기 기술이 쓰인다. 1949년 '쿤린(Kunlin)'이 환자의 정맥을 떼어내어 동맥으로 사용한 이래 인공혈관을 개발하고자 하는 노력을 계속되어 왔다. 현재는 '폴리에스터'와 '고어텍스'가 주로 쓰인다. 그러나 기존에 개발된 인공혈관은 직경이 3mm 정도로 크고, 필요한 길이나 형태로 제작할 수 없다는 한계가 있었다. 또한 인공혈관이 인체의 혈관과 연결되는 부위가 자연적이 아니어서 피가 엉기는 바람에 피떡이 생기거나 연결 부위가 인체의 재생 작용에 의해 지내치게 성장하여 부작용이 생기곤 한다. 인체가 성장하면 그에 따라 혈관도 교체해 주어야 하는 어려움도 있었다. 이에 따라 최근에는 3D 프린팅 기술을 활용한 맞춤형 혈관 개발 연구가 활발히 진행되고 있다.

2016년 9월, 미네소타대학교에서는 양의 피부세포로 만든 특수 인공혈관을 생후 5주 된 어린 양에 이식하여 양이 성장해가면서 인공혈관도 함께 자라게 하는 데 성공하였다. 양의 피부세포를 특수 튜브에 넣고 세포의 성장에 필요한 각종 영양소를 투여하여 혈관의 모양으로 세포 침착을 유도하는 방식을 사용했다.

7-6. 인공 자궁

인공 자궁 이식은 배아가 착상하고 태아가 성장해 출산까지 가능해야 하기 때문에 조직공학, 유전학, 생체공학 등이 합쳐진 최첨단 분야이다.

2002년, 미국의 코넬대학교에서는 자궁 내막에서 채취한 세포로 인공 자궁을 만들고, 쥐의 배아를 이식하여 다시 성인 쥐에게 이식하는 단계까지 성공하였다.
2014년, 일본에서는 양을 대상으로 한 인공자궁 태반 실험에서 21일간 태아를 생존시키는 기록을 세웠다.
2017년 3월, 노스웨스턴대는 세계 최초로 나팔관, 자궁, 자궁경부, 난소, 간 등 살아있는 조직이 개별적으로 담긴 '이바타 시스템(Evatar System)'을 개발하였다. '이바타 시스템'은 인간의 월경주기를 흉내내는 칩 위의 미니 생식계라고 할 수 있다. 나팔관과 자궁, 자궁경부는 기증받은 인간의 조직, 난소는 생쥐의 조직, 간 조직은 인간에게서 채취된 것을 사용한 이 시스템은 각 조직의 반응을 쉽게 관찰할 수 있어 자궁질환이나 치료제 개발, 피임약 실험에 활용될 것으로 기대된다.
2017년 5월, 미국 노스웨스턴대학교 의대는 3D 프린터로 만든 인공 난소에 '난포 세포(난자로 자랄 수 있는 세포)'를 붙여 암컷 쥐에게 이식했다. 이 쥐는 수컷 쥐와 교배 후 건강한 새끼를 낳는 데 성공했다.

7-7. 인공 피부

2015년, 한림대 한강성심병원은 실제 피부와 같은 진피와 표피를 가진 인공피부를 세계 최초로 개발했다. 사람의 피부는 각질층인 '표피(상피 세포)'와 콜라겐으로 이루어진 '진피(섬유아세포)'로 구성되어 있다. 이전까지는 진피는 인공으로 만들고 표피는 자신의 피부를 이식해야만 했다. 아주 적은 면적만 피부를 떼어내도, 상피 세포와 섬유아세포를 대량으로 배양하여 피부가 손상된 환자를 치료할 수 있게 된 것이다. 또 캐나다 토론토대학과 '마스 이노베이션(MaRS Innovation)'은 모낭과 땀샘을 가진 이식 피부를 제작할 수 있는 3D 프린팅 기술을 개발했다.
캐나다의 토론토대학과 온타리오주 바이오 창업·연구 지원기고나인 '마스 이노베이션(MaRS Innovation)'은 모낭과 땀샘을 가진 이식 피부를 제작할 수 있는 프린팅 기술을 개발하였다.
2016년 3월, 일본에서는 쥐의 잇몸 세포로 만든 '유도만능 줄기세포(iPS 세포)'로 모공과 피지샘이 있는 피부 조직을 개발했다.
2017년 서울대병원에서는 피부 모델 마이크로칩 개발에 성공했다. 표피와 진피, 혈관을 포함한 1cm 크기의 실리콘 위에 인체 세포를 키워 만든 인공피부다. 이를 이용해 피부의 '정상 상태', '염증 상태', '약을 투여한 상태'에서 각각 세포가 어떻게 결합하는지 알아볼 수 있으며, 알레르기 반응이나 자외선 손상 정도를 측정할 수 있다.

7-8. 인공 척수

2016년, 'UNIST(울산과학기술대학교)'의 생명과학부는 바이오 프린팅으로 인공 척수를 만드는 연구를 진행했다. 그 결과 환자의 줄기세포를 이용해 척수의 성분이 되는 신경 세포와 성상 세포를 맞춤형으로 만들어내는 수준에 도달했다.
2016년 11월, 포항공과대학교에서는 3D 바이오 프린팅과 골격근 조직 유래 바이오 잉크를 이용하여, 세계 최초로 실제 흡사한 인공근육을 제작하는 데 성공했다. 연구팀이 개발한 인공근육은 전기 자극 반응을 받았을 때 실제 근육의 수축과 이완 운동을 비슷하게 모사할 수 있다고 한다.

7-9. 인공 근육

2016년 11월, '포항공과대학교(Postec)'에서는 골격근 조직에서 유래한 바이오 잉크로 3D 바이오 프린팅을 하여 세계 최초로 실제 근육과 비슷한 인공 근육을 제작했다. 이 인공 근육은 전기 자극을 받았을 때 수축과 이완 운동을 실제 근육과 비슷하게 한다.

7-10. 인공 뇌

2013년, 오스트리아 분자생명공학 연구원은 성인의 피부 세포로 '유도만능 줄기세포(iPS cell: induced pluripotent stem cell)'를 만든 후 인간의 대뇌와 비슷한 신경세포 조직으로 성장시켰다. 이 뇌를 특별한 배양 조건에서 2개월 만에 최대 4mm로 키웠는데, 완두콩보다 약간 작은 크기의 '미니 뇌'는 해마, 피질 등 인간의 뇌와 비슷한 구조를 갖췄고, 신경세포가 전기적 신호까지 주고받을 만큼 기능이 유사하다고 밝혔다.

7-11. 인공 췌장

전자기기 인공췌장 형태로 쓰이고 있는 제품들은 대부분 몸에 착용할 수 있는 인슐린 펌프 형태이다. 3일~7일마다 혈당 센서를 바꿔주고 인슐린을 충전해야 하는 한계가 있는 제품들이다. 예를 들어, 미국의 의료기기 회사 '메드트로닉(Medtronic)'이 만든 '미니 메드'는 소아 제1형 당뇨병 환자를 위한 인공췌장으로 판매 승인이 되었지만, 12시간 정도마다 인슐린 투여량을 조절하고, 1주일마다 혈당 센서를 교체하여야 하며, 3일마다 인슐린 충전이 필요하다. 현재 세계 여러 나라에서 기존보다 작고 가벼우며 정보 전송과 진단 및 치료가 동시에 이루어지는 융복합 인공췌장을 만들기 위해 연구가 진행되고 있다.

2016년, 서울대 바이오 이종장기 개발사업단에서는 캡슐을 이용하지 않고 돼지의 췌도를 원숭이에게 이식하는 데 성공하였다. 돼지의 각막을 원숭이에게 이식하는 사례도 보이고 있다. 농촌진흥청과 건국대병원 연구팀은 돼지 '믿음이'의 각막을 원숭이한테 이식시켜 면역제 없이 안약만으로 200일 넘게 정상 기능을 유지하는 데 성공하여 안정성과 효능을 입증하였다. 캡슐을 이용하지 않고 췌도를 직접 사람에게 이식할 수 있는 WHO의 조건을 세계에서 유일하게 충족하였다.
뉴질랜드의 기업 '리빙 셀 테크놀로지(Living Cell Technology)'에서는 돼지의 췌도를 이용하여 제1형 당뇨병을 치료하기 위해 췌도를 해조류 유래 반투막 캡슐로 감싸 이식하는 방식을 사용한다. 이는 면역반응으로 췌도 세포가 파괴되는 것을 막기 위함이다. 이식한 세포는 혈당을 인지하면 자동으로 인슐린을 분비하게 되는데, 효과는 1년 정도 지속된다.

7-12. 인공 눈

전기 자극 방식으로 볼 수 있게 해주는 인공눈 연구도 활발하다.

2013년, 미국 '세컨드 사이트(Second Sight)' 사의 '아르구스2(Argus2)'라는 인공 눈은 FDA의 승인을 받았으며 임상실험을 실시하였다. '아르구스2(Argus2)'는 안구 내부 망막 위에 시각 정보 수신기와 백금 칩을 이식하고, 안경에 부착된 카메라에 휴대용 컴퓨터 기기를 연동시켜 시각 중추에 신호를 전달한다. 완전히 시력을 상실한 환자에게 60개의 전극을 이용한 인공눈을 이식하자 시력이 일부 호회복되었다.
2016년에는 중국에서 14세 소년이 돼지의 각막을 이식받은 사례도 있다. 또 2017년에는 27세 청년이 돼지의 각막을 이식받아 시력이 0.3까지 회복되었다고 한다. 물론 중국에서의 돼지의 각막 이식은 면역반응을 줄이기 위해 각막 전체가 아닌 세포가 존재하지 않는 일부 조직을 대상으로 이루어진 것이다.
2017년에는 '아르구스(Argus)'를 변형하여 시각 피질 표면에 전극을 넣는 '오리온(Orion)'이 FDA에서 소규모 조건부 시험 승인을 얻었다.
2017년 6월 서울 아산병원 연구팀에서는 국내 최초로 '아르구스2'의 이식이 성공한 바 있다.
2015년 5월, 한국의 농촌진흥청과 건국대병원 윤익진 교수팀은 이종 이식용 돼지 '믿음이'의 각막을 필리핀 원숭이에게 이식시켜 면역억제제 없이 1년 이상 정상 기능을 유지하고 있다고 밝혔다. 이는 면역억제제 없이 안약만으로 1년 넘게 정상 기능을 유지한 한국의 첫 사례이기도 했다.
서울대학병원에서는 수술 부담을 줄인 소형 인공눈을 개발하여 토끼 등의 동물 실험에 성공하였다. 이 인공눈은 눈동자에 직접 자극기와 무선 수신기 같은 전자 부품을 이식해야 하는 기존 인공눈과는 달리, 작은 장치를 안구 바깥쪽 옆에 붙이는 방식이어서 수술에 대한 부담이 적다는 것이 특징이다.

7-13. 인공 보철

최첨단 전자 기술을 이용한 '인공 의수'와 '인공 의족'과 같은 '인공 보철'도 발전을 거듭하고 있다. 1940년대부터 개발이 시작된 인공 의수는 현재 초기에 비해 크기나 무게, 착용감 면에서 상당 부분 개선되었다. 특히 2010년 이후로는 생각만으로 자유롭게 작동할 수 있도록 감각 신경신호를 감지할 수 있는 '바이오닉 림(Bionic Limb)' 기술로 발전하고 있다.

2007년, 영국의 '터치 바이오닉스(Touch Bionics)' 사는 최초의 판매용 전자공학 인공 의수 '아이 림(I-LIMB)'를 개발했고, 최근에는 손가락 끝부분의 압력을 측정할 수 있는 최첨단 센서가 붙어있는 'I-LIMB HAND'를 출시했다.
2014년, 스웨덴의 샬머스 기술 대학교에서는 최초의 골 접합 인공 의수를 장착하였다. 인공 의수를 환자의 뼈, 신경, 근육과 연결하고 고정하여, 감각과 운동의 '되먹임(Feedback)' 조절에 대한 해법을 찾을 것으로 기대되고 있다.
2016년 말에 출시된 인공의수 '루크 암(LUKE Arm)'는 1억 2천만 원이 넘을 정도로 가격이 매우 비싸다. 사람마다 절단 부위가 팔의 굵기가 달라 맞춤형으로 만들어야 하기 때문이다.
2017년 12월에는 미국 시카고대학 의대 연구팀이 사고로 팔을 잃은 지 4~10년 된 붉은털원숭이 3마리에게 뇌신경과 연결된 로봇 팔을 부착하여 의지만으로 공을 잡도록 하는 훈련을 시켰다고 발표했다.
2017년, 미국 MIT는 한쪽 근육이 수축할 때 반대쪽 근육이 이완하는 움직임을 모방하여 인공 의족의 정밀한 움직임을 향상시킬 수 있음을 쥐를 이용한 실험을 통해 증명하였다.

8. 바이오 인공장기 시장 전망

인구 고령화가 진행되면서 당뇨병, 골관절염, 신경 질환 등 장기부전 환자들이 급격히 증가하는 추세다. 하지만 여전히 장기 이식을 기다리는 환자에 비해 장기 기증자는 턱없이 모자라다. 결국 이러한 문제의 해결의 궁극적인 해법은 '바이오 인공장기(Bioartificial Organs)' 개발이다. 인구 고령화로 인해 '바이오 인공장기' 시장이 급격히 성장할 것으로 예상된다.

바이오 인공장기 시장은 '이종장기', '세포 기반 인공장기', '전자기기 인공장기'의 세 분야가 경쟁하거나 서로 융합·보완해가면서 시장을 형성할 것이다. 각각의 인공장기가 서로의 대체체가 되기 때문에 경쟁 관계가 되는 것이며, 각 기술이 약점을 어떻게 극복하느냐에 따라 시장에서의 위치가 달라질 것으로 예측된다. 예를 들면 이종장기의 경우 감염 위험성, 면역억제제 사용, 사회적 인식 등을 극복해야 할 것이고 전자기기 인공장기는 정기적으로 정비해야 하는 단점을 극복해야 할 것이다. 이러한 단점들을 극복하지 못한다면 다른 바이오 인공장기에 비해 시장이 작아질 수 있다.

신체 증강을 위해서는 '전자기기 인공장기' 분야가 우선적으로 쓰일 것으로 생각된다. 예를 들어 우주 생활, 수중 생활을 위해 폐와 심장을 전자기기 인공심장으로 교체할 수 있고 군사적 목적을 위해 사지의 기능을 강화시키는 전자기기 인공의수나 인공 의족을 이식받을 수 있을 것이다.

8-1. '바이오 인공장기' 산업의 특징

'바이오 인공장기' 산업은 '경기변동 및 가격에 대한 민간도가 낮은 산업', '정부규제 산업', '기술집약적 산업', '수입의존도가 높은 산업', '진입장벽이 높은 산업'으로 요약할 수 있다.

경기변동 및 가격에 대한 민간도가 낮은 산업: 사람의 생명과 직결되는 문제이며, 건강보험에 대해 대부분의 의료체계가 운영되므로 경기변동 및 가격에 대한 민감도는 낮다.
정부규제 산업: 의료기기 산업은 인간의 생명과 보건에 관련된 제품을 생산하는 산업으로, 정부는 의료기기 생산 및 제조, 임상시험 등의 안전규제, 유통 및 판매 등 안전성·유효성 확보, 지적재산권 보장 등에 대하여 규제하고 있다.
기술집약적 산업: 인공장기는 의학을 기반으로 '유체 물리학', '전자공학(Electronic Engineering)', '재료공학(Materials Engineering)', '기계공학(Mechanical Engineering)' 등 첨단 기술이 융합된 제품이며, 기술집약적 산업이다.
수입의존도가 높은 산업: 인공장기와 관련한 우리나라 기술 수준은 선진국에 비해 미흡한 상태이며, 인공장기의 대부분을 수입제품에 의존하고 있다.
진입장벽이 높은 산업: 대부분의 인공장기 개발은 연구 개발의 어려움을 비롯해 '전임상 시험', '임상 시험' 등의 과정을 통해 많은 시간과 인적·물적 투자가 필요하여, 시장 진입 장벽이 높은 산업이다.

8-2. 전후방 산업

바이오 인공장기 산업은 다른 산업에도 영향을 끼쳐 관련 산업들을 동반 성장시킬 것으로 예측된다. '세포 기반 인공 장기'의 경우 줄기 세포 관련 기술이 핵심적으로 사용된다. 하지만 줄기세포 기술은 인공장기뿐만 아니라 재생의료의 여러 분야에 활용되는 기술이므로 보다 정밀한 줄기 세포 기술이 개발된다면 재생의료 산업 전반에 막대한 영향을 끼칠 수 있을 것으로 생각된다. 이종장기 제작을 위해 형질전환 동물을 생산하려면 유전자 가위 기술이 필요하므로 이종장기 이식 기술이 발전하면 유전자 치료 산업에도 긍정적인 영향을 끼칠 것으로 예상된다.

전방 산업은 전체 생산흐름에서 앞에 위치한 업종을 뜻하고 후방 산업은 전체 생산 흐름에서 뒤에 위치한 업종을 뜻한다. 전방 산업은 생산된 제품의 판매에 관한 사업이 되고 후방 산업은 제품의 소재나 부품을 만드는 산업이 되는 것이다. 스마트폰 산업을 예로 들면 스마트폰 유통이나 애플리케이션 산업, 스마트폰 액세서리 산업은 전방 산업이라고 말할 수 있고 디스플레이나 카메라 부품 등 스마트폰 생산에 관련한 산업은 후방산업이라고 말할 수 있을 것이다. 바이오 인공장기 산업도 다양한 전후방 산업들을 발전시킬 것으로 생각된다.

후방 산업: 후방 산업에서는 먼저 '생체 재료 생산 산업'이나 '3D 프린팅 산업', '세포나 조직을 배양시키는 산업'이 활성화될 수 있을 것이다. 임상시험을 대행하는 보건의료 산업도 더 발전할 수 있을 것 같다. 바이오 인공장기를 상용화하려면 안정성과 유효성이 반드시 검증되어야 한다.
전방 산업: 전방 산업에서도 다양한 산업들이 출현할 것으로 예상된다. '인공장기의 기획 및 설계 전문 업체'나 '바이오 인공장기 전문 유통, 판매업체'가 생겨날 수도 있다. 이종장기나 세포 기반 인공장기의 운송은 매우 까다롭고 특수한 조건을 갖춰야 하기 때문이다. 사람마다 신체 조건이 다르고 장기의 상태가 다르기 때문에 자신에게 맞는 인공 장기를 기획하고 설계하는 전문가 또한 필요할 것이다. 따라서 '바이오 인공장기 이식 컨설팅 산업'도 생겨날 수도 있다.
원스톱 의료 서비스 시장: 인공장기를 생산하고 이식까지 책임지는 '원스톱 의료 서비스' 시장이 생겨날 수 있다. '의료 관광' 산업도 생겨날 것 같다. 현재 많은 관광객들이 성형수술 등의 의료 서비스를 받기 위해 한국에 찾아오는 경우가 많은데, 바이오 인공 장기 산업에서도 이러한 추세가 나타날지도 모르는 것이다.

8-3. 융합형 신산업

바이오 인공장기 산업과 관련된 분야에서도 새로운 신사업들이 만들어질 것이다. 바이오 인공장기 산업의 특성상 생명공학 기술, 나노기술, 정보통신 기술 등과 융합될 가능성이 충분히 높다. 예를 들면 인공 보철 산업은 뇌-기계 인터페이스 산업과 융합되어 더 고도화될 수 있을 것이다. 신경 신호를 이용해서 인공 보철을 제어할 수 있을 것이고 원한다면 새로운 기능을 넣어서 산업을 발전시켜 나갈 수도 있다.

이종장기 생산을 위해 '의료용 동물 생산 산업' 또한 생겨날 수 있을 것으로 보인다. 인간의 몸에 삽입하는 바이오 인공장기의 특성상 의료용 동물은 훨씬 더 엄격하게 관리되어야 하기 때문에 기존의 실험용 쥐 같은 실험용 동물 시장과는 또 다르게 시장이 형성될 것으로 생각된다.

현재 장기 이식은 약물 등으로 치료가 어려워졌을 때 마지막으로 선택하는 치료법이다. 하지만 바이오 인공장기가 지금보다 더 고도화되고 비용도 충분히 낮아지면 환자들은 '약물을 이용해 치료할 것인지', '바이오 인공장기를 이식받을 것인지' 선택해야 할 것이다. 그러면 현재의 약물 시장이나 투석기 같은 시장이 축소될지도 모른다.

8-4. 독점 우려

바이오 인공장기 산업은 사람의 생명과 직결되어 있는 만큼 엄격한 기준이 필요하고 기술 개발을 위해 장기간 동안 막대한 자본 투자가 필요하다. 따라서 산업 특성상 진입 장벽이 높고, 시장 진입을 놓칠 경우 자본력이 풍부한 소수의 다국적 기업이 시장을 독점할 가능성이 있다. 하지만 바이오 인공장기는 아직 뚜렷한 선두주자가 없으므로 이 시장을 선점한다면 막대한 부를 이룰 수도 있을 것이다. 반대로 글로벌 다국적 기업들이 특허를 선점하여 시장을 독점하면 후발 기업들이 시장 진입에 어려움을 겪게 될 것으로 보인다.

9. '바이오 인공장기' 관련 기업

9-1. 백스터 인터네셔널(Baxter International)

국적: 미국
설립: 1931년

'백스터 인터네셔널(Baxter International)'은 세계 29개국 이상에서 다양한 제품을 제조하여 100여 개국 이상에 판매하고 있는 미국의 헬스케어 기업이다. '백스터 인터네셔널(Baxter International)'은 콩팥 질환, 외상 및 기타 급만성 질환을 앓는 환자들의 생명을 구하고 유지시키는데 필수적인 제품을 개발·제조하여 '병원', '요양원', '재활 센터', '신장 투석 센터', '의료기관' 및 '환자'들에게 판매하고 있다. '백스터 인터내셔널'의 제품군에는 '말기 콩팥병 환자의 투석치료를 위한 인공신장기(Phoenix, ARTIS Physio)', '인공신장기용 정수 장치(WRO, WRO300, CWP100-WRO106H)', '인공신장기용 정수 여과기(U8000 S, Ultra HDF Line, UltraSteriSet, U 9000, ArtiSet ULTRA HC)', '인공신장기용 혈액여과기(Polyflux H, Revaclear)' 등의 혈액투석 제품이 포함된다.

9-2. 신카디어 시스템즈

국적: 미국
설립: 2001년

'신카디어 시스템즈(SynCardia Systems)'는 인공심장 제조업체로, 2004년에 인공심장 'SynCardia TAH'가 최초의 FDA 승인을 획득하였다. '신카디어 시스템즈'는 심혈관 기기 제조 및 판매, 인공심장 및 관련 제품 제조 사업을 영위하고 있다. 미국·캐나다·유럽에서 상업적 승인을 받은 세계 유일의 심장 교체 기술 공급업체로, 전 세계 140개 이상의 이식 병원 및 '의료 순환 지원(MCS: Mechamicla Circulatory Support)' 프로그램에서 의료팀과 협력·교육·지원함으로써 심장 기능 장애가 있는 환자의 생존 가능성을 높이는데 기여하고 있다. 2016년에는 투자 회사인 'Versa Capital Management'에 인수되었다.

9-3. Cochlear

국적: 오스트레일리아
설립: 1983년

'Cochlear'사는 2017년 기준, 전 세계 인공 내이 시장의 선두업체로 세계 시장점유율 55%를 차지하고 있다. 청력 손실에 대한 이해 및 치료에 초점을 맞추고 전 세계적으로 100개 이상의 대학과 연구 협정을 맺고 있다. Cochlear의 제품 포트폴리오는 '인공 내이', '임플란트', '청각 임플란트', '골전 솔루션', '의료기기' 등을 포함하며, '인공내이(Cochlear implants)', '바하 골전도 임플란트(Baha bone conduction implat)', '청각 임플란트(Acoustic implants)' 등의 제품과 솔루션을 제공하고 있다.

9-4. 프레제니우스 메디칼 케어

국적: 독일

'프레제니우스 메디칼 케어(Fresenius Medical Care)'는 현대 투석기에 대한 표준을 제시하고 있는 인공신장 분야 시장 선도업체로, 2021년 기준 인공신장 시장의 40% 이상을 점유하고 있다. '혈액투석기', '복막 투석 시스템', '가정 혈액 투석 시스템', '수처리 시스템', '투석 소모품', '의료 의자', '기타 관련 제품' 등 만성 신부전 환자를 위한 포괄적인 솔루션을 제공하고 있다. '프레제니우스 메디칼 케어'는 독일 기업으로 '만성 신부전(CKD: Chronic Kidney Disease)' 환자의 투석 치료를 전문으로 하여 해외를 포함해 총 3690개의 진료소가 있으며, 동시에 투석 제품과 관련된 일회용품도 제공하는 통합 투석 전문 글로벌 기업이다.

Fresenius Medical Care의 신장 투석 장비 '6008 CAREsystem'

9-5. 메드트로닉(Medtronic)

국적: 아일랜드
설립: 1949년

'메드트로닉(Medtronic)'은 의료기기 제조 및 판매업체로, 아일랜드 더블린에 본사를 두고 있다. '메드트로닉'은 1957년에 비정상적으로 느린 심장 박동의 치료를 위하여 착용할 수 있는 심장박동기를 최초로 개발한 업체로, '의료 기술', '서비스', '솔루션'을 제공하며 환자들의 삶을 개선하기 위해 헌신하고 있다. '메드트로닉'은 '이식형 심장박동기(Implantable Cardiac Pacmakers)', '이식형 제세동기(ICDs: Implantable Cardioverter Defibrillators)', '이식형 심장 재동기화 치료 기기(Implantable Cardiac Resynchronization Therapy Devices)' 등 인공심장 관련 제품군을 제공하고 있다.

당뇨병은 췌장의 인슐린 분비 이상으로 앓게 되는 병으로 신장까지 망가뜨린다. 현재 전자기기 인공 췌장으로 쓰이고 있는 제품들은 대부분 몸에 착용할 수 있는 인슐린 펌프의 형태다. 하지만 이런 기기들은 수일마다 혈당 센서를 바꿔주고 인슐린을 재충전해야 한다. '메드트로닉(Medtronic)'이 만든 인공 췌장 '미니메드(MiniMed)'의 경우, '혈당 센서'와 '인슐린 공급장치'를 몸에 부착한다. 그 다음 1주일마다 혈당 센서를 교체하고, 3일마다 인슐린을 충전해야 하며, 12시간마다 인슐린 투여량을 조절해야 한다.

9-6. 프레제니우스 메디칼 케어 코리아

국적: 한국

'프레제니우스 메디칼 케어 코리아(Fresenius Medical Care Korea)'는 독일에 본사를 둔' 프레제니우스 메디칼 케어(Fresenius Medical Care)'는 만성콩팥병 환자에게 통합적인 서비스와 제품을 제공하는 투석 전문 기업이다. 2021년 기준, 세계 1위의 투석 전문 기업으로, 전 세계적으로 신장투석 관련 제품과 서비스를 제공하고 있다.

'프레제니우스 메디칼 케어 코리아'는 1999년 '코오롱제약 메디컬 사업부', 2010년 'Nikkiso Medical Korea', '한국갬브로의 복막투석사업' 등을 인수하여 국내 인공 투석기 시장에서 40% 이상의 시장 점유율을 확보하고 있다. '프레제니우스 메디칼 케어 코리아'에서 제공하는 혈액 제품으로는 '인공신장기', '인공신장기용 여과기', 인공신장 투석 관류액 'FRESOL', 투석액 'bibag' 등이 포함된다. '인공신장기'는 말기신부전 또는 중독증 환자의 투석을 하는 기계로, '모니터 체외 혈액 회로 시스템'과 '한외 여과 조절기', '투석액 공급 장치' 등으로 구성되어 환자에게 안전하고 적절한 치료를 제공한다.

9-7. 박스터(Baxter)

국적: 한국

'박스터(Baxter)'는 미국에 본사를 두고 있는 글로벌 헬스케어 기업 '박스터 인터내셔널(Baxter International)'의 국내 법인으로, 1972년 혈액투석 사업을 시작으로 국내에 진출, 1991년 국내 법인을 설립했다. 의약품 및 의료기기 분야의 전문성을 독창적으로 결합한 기술을 바탕으로 개발된 '복막 투석액', '자동 복막투석기계', '혈액투석 장비', '마취제', '영양수액제' 등의 의약품 및 관련 서비스를 제공하고 있다.

9-8. 안국 바이오진단

국적: 한국
설립: 1994년 9월

'안국 바이오진단'은 '바이오메드랩'으로 설립된 후, 2010년에 중견 제약사인 '안국약품'에 인수되었으며, 2014년 3월 주총에서 사명이 '안국 바이오진단'으로 변경되었다. '안국 바이오진단'은 창업 이래로 주력해온 생명공학 분야의 기술 개발을 통하여 인공장기 분야 임상시험 및 상품화를 추진하였다. 1996년 3월에 '인공심장' 분야에서 혈액 일부를 체외 펌프로 순환시켜 심장의 일부 기능을 보조하고, 1998년 1월에 심장 이식 수술 심실 보조 장치 'Hemopulsa' 1차 인체 임상실험을 성공한 바 있다. 1999년 12월에는 체내이식형 맥동형 좌심실 보조 장치, 2000년 6월에는 체내 이식형 좌심실 보조 장치에 관한 특허를 출원하였다. 2001년 3월 실린더리칼 캠을 이용한 체내이식형 좌심실 보조 장치에 관한 PCT 출원을 하였다.

9-9. 라이프리버(Lifeliver)

국적: 한국
설립: 2009년 9월

'라이프리버(Lifeliver)'는 '라이프코드'의 R&D 부분을 분할하여 '바이오 인공 간'과 줄기세포치료제의 상용화를 앞당기기 위하여 설립된 연구개발 전문 회사로, 에이치엘비의 계열사이다. '라이프리버'는 10여 년의 줄기세포 연구와 조직공학 연구 경험을 바탕으로, 급성 간부전 환자 대상의 '바이오 인공 간'을 필두로 신개념의 대머리 치료제인 '모낭세포치료제', 간질환 치료를 위한 '간세포치료제'의 개발에 역량을 집중하고 있다. '라이프리버(Lifeliver)'의 바이오 인공 간 'Lifeliver'은 체내에 쌓인 독성물질을 체외에서 효과적으로 제거할 수 있는 체외순환형 간 기능 보조 장치로서, 간 이식 대기 중 상태가 약화되어 간이식수술이 필요하나 제때 간이식수술을 받지 못하는 환자에게 적용하여 상태를 호전시킬 목적으로 사용된다. 또한 약물 등에 의한 급성 간부전 상태가 된 환자에게도 사용될 수 있다.

9-10. 토닥(Todoc)

국적: 한국
설립: 2015년 10월

'토닥(Todoc)'은 '인공와우(달팽이관)' 제작 업체로, 인공와우 전극에 반도체 공정을 도입하는 방안을 연구한 업체로 주목을 받은 바 있다. '토닥'은 기존 인공와우가 지원하는 22개, 24개 채널보다 한 차원 높은 32개 채널을 갖춘 Cochlear Implant - Sullivan™을 개발하였다. 채널이 늘어나면 사용자가 듣는 음높이가 다양해져 고음질을 확보할 수 있다. '토닥'은 반도체 공정기술을 활용해 생산과정 자동화로 더 많은 채널을 갖추었고 가격 경쟁력도 확보하였다. 청각장애인을 위한 인공와우 제품뿐만 아니라 '파킨슨병', '신경통' 쪽에도 적용 가능한 의료기기를 준비하고 있다.

9-11. 한스바이오메드

국적: 한국
설립: 1999년

'한스바이오메드(HANSbiomed)'는 화상, 교통사고, 일상생활에서 일어나는 사고로 인하여 발생하는 피부 결손이나 뼈 결손 등의 치료를 위한 '인체조직 이식재'와 유방암과 기타 유전적인 요인으로 인한 '유방재건을 위한 인체 이식용 실리콘 보형물'의 연구개발에 주력하고 있다. 이러한 인체조직과 실리콘 제품을 제조·판매하는 기업으로서 아시아 최초로 인체 피부와 뼈·실리콘 이식 제품을 사용화에 성공하여, 국내 '식품 의약품 안전처(MFDS: Ministry of Food and Drug Safety)'로부터 대한민국 제1호로 '인체조직은행' 설립허가를 받은 바 있다.

9-12. 루시드 코리아

국적: 한국
설립: 1996년

'루시드 코리아(Lucid Korea)'는 20년 이상 쌓아 올린 '안과학(Ophthalmology)' 노하우를 바탕으로 'Ortho-K 렌즈', '백내장 수술용 인공수정체' 등 첨단 제품을 연구·개발하여, 세계시장에 진출하였다. '루시드코리아'는 사람의 각막을 대신한 인공 장기인 '인공각막', '백내장 환자용 인공수정체', '인공안구', '각막 이식편 안정 고리', '수정체낭안저링' 등의 연구활동을 영위하고 있다. '인공수정체', '수정체낭 안정링'은 제품개발에 성공한 제품으로 현재 수입품을 대체하여 100% 국산화를 이룩해 판매에 박차를 가하고 있다.

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