조직 공학 실험 접근법

제 이름은 Ali Kamasi이고 현재 Harvard MIT 건강 과학 및 기술 학부의 조교수입니다. 그리고 저는 하버드 의과대학, 특히 하버드 의과대학의 계열사인 브리검 여성병원(Brigham and Women's Hospital)과 공동으로 약속이 있습니다. 그리고 제 연구 분야는 미시적 조직 공학과 생물 군계 분야입니다.

그래서 제 학문적 배경은 처음에는 화학 공학에서 시작했습니다. 토론토 대학교에서 화학공학 학사 과정을 마쳤고, 그 후 생물학 중심의 공학에 큰 관심을 갖게 되었습니다. 그래서 저는 토론토 대학에서 의생명공학 석사 과정을 밟았고, 특히 줄기세포 분화에 대해 연구했습니다.

그러다가 MIT에 와서 로버트 랭거(Robert Langer) 교수님과 함께 생명공학으로 박사 학위를 받았습니다. 그 후, 몇 달간의 박사후 과정을 거친 후 현재 직책에 합류했습니다. 우리가 집중하고 있는 연구 분야는 생물학, 공학, 재료과학 사이의 접점에 있습니다.

그래서 우리가 하려는 것은 생물생물학자들이 오랫동안 답하려고 노력해 온 질문들을 다루려고 노력하는 것이지만, 이러한 질문들을 이해하는 데 새로운 기술과 새로운 관점을 도입함으로써 이전에는 할 수 없었던 방식으로 대답하려고 노력하는 것입니다. 우리가 해결하려고 하는 주요 의학적 문제 중 하나는 실제로 이러한 장기 부족입니다. 어떻게 하면 잠재적으로 이식될 수 있는 3차원 장기를 만들 수 있을까요, 그래서 아시다시피, 당연히 장기 전문가들이 엄청나게 부족하고, 많은 환자들이 이식 가능한 장기를 필요로 하고, 엄청난 대기자 명단이 있습니다.

그래서 우리와 조직 공학 분야의 다른 사람들이 시도하고 있는 일 중 하나는 인공 조직을 만들 수 있는 접근 방식을 개발하려고 노력하는 것입니다. 같은 개념으로 현재 존재하는 주요 문제 중 하나는 신약 개발과 신약 개발과 관련되어 있는데, 어떻게 하면 신체 외부의 조직을 대표하는 더 나은 모델을 만들어서 약물과 화학물질을 테스트하고 이러한 종류의 조직에 어떤 영향을 미치는지 확인할 수 있을까 하는 것입니다. 일단 우리가 그것을 제대로 할 수 있게 되면, 우리는 어떤 약물이 실제로 효과적일지 훨씬 더 잘 예측할 수 있습니다.

따라서 약물이 승인된 후 약물에 대한 리콜과 부작용이 없으며 훨씬 더 나은 약물 발견 프로세스를 가질 수 있습니다. Microfluidic 장치는 우리가 마이크로 스케일 기술이라고 부르는 것의 하위 섹션입니다. 그리고 이 미시적 기술에 대해, 저는, 어쩌면 저것으로 시작하는 것을 설명하겠습니다.

그들이 하려는 것은 생물학적 조직이나 생물학적 시스템의 복잡성을 모방하는 것입니다. 따라서 대부분의 세포는 약 수십 마이크로미터입니다. 이러한 차원에서 세포를 진정으로 이해하려면 10마이크로미터보다 훨씬 작은 것부터 10마이크로미터보다 큰 것까지 다양한 길이 스케일에서 세포가 보는 것과 세포가 감지하는 것을 엔지니어링할 수 있는 기술이 필요합니다.

그래서 여러분은 개별 세포를 가질 수 있고, 그들의 주변 환경을 조작할 수 있습니다. 따라서 미세유체역학(microfluidics)과 같은 시스템이 우리에게 할 수 있는 것은 시도하고, 용해성 인자(soluble factor)가 세포에 어떻게 전달되는지에 대해 매우 엄격하게 제어할 수 있게 해주는 것입니다. 예를 들어, 미세유체 채널을 가질 수 있고 거기에 케모카인(chemokine) 또는 성장 인자(growth factor) 또는 사이토카인(cytokine)의 농도 구배(concentration gradient)를 생성할 수 있습니다.

그리고 그것이 지금 우리가 할 수 있는 것은 정상적인 발달 과정이나 유기체 전체에 걸쳐 농도 구배가 있는 생물학적 시스템 내에서 일어나는 일을 모방하여 세포에게 실제로 세포가 무엇을 해야 하는지, 무엇을 해야 하는지 알려주는 것입니다. 따라서 미세유체 시스템을 사용하면 매우 빠르게 제어된 방식으로 이러한 종류의 생물학적 복잡성을 생성한 다음 이러한 종류의 농도 구배 또는 생물학적 생물학적, 공간적 지향 신호에 노출되어 세포 행동을 직접 분석할 수 있습니다. 그러니까 조직공학은 지금으로부터 약 20, 30년 전쯤 이식 가능한 세포를 사용하여 물질과 병합하여 더 나은 3차원 조직을 만들려는 아이디어에서 시작되었고, 처음에는 생분해성 물질을 얻어 거품을 만들려는 사람들에 의해 시작되었습니다.

그래서 그것들은 매우 다공성 구조입니다. 그런 다음 이러한 거품에 세포를 뿌립니다. 따라서 세포가 이 거품 내부를 돌아다니면서 특정 장소에 정착하고 시간이 지남에 따라 세포는 자신의 생물학적 매트릭스를 축적하기 시작합니다.

그리고 이러한 물질은 생분해되기 때문에 시간이 지남에 따라 물질이 분해되고 남는 것은 완전한 생물학적 조직입니다. 이 접근법은 연골과 같은 단순한 장기에 특히 유용했습니다. 그리고 실제로 우리의 인공 피부와 같은 것들은 실제로 FDA의 승인을 받았습니다.

그래서 임상적으로 실행 가능했습니다. 이 접근법이 잠재적으로 더 많은 도움을 줄 수 있는 곳은 심장이나 간과 같은 더 복잡한 구조와 관련하여, 실제로 매우 통제된 세포 세포 상호 작용과 매우 통제된 복잡성 및 구조를 미시적 규모로 가지고 있습니다. 조직 공학의 독창적인 아이디어 중 하나는 세포를 넣으면 세포가 스스로를 재배열하여 정상적인 몸에서 볼 수 있는 이러한 복잡성을 실제로 생성한다는 것이었습니다.

그러나 그것은 어느 정도 일어나지만 항상 일어나지는 않습니다. 따라서 미세구조 수준에서 조직공학적 기관이라 할지라도, 그것은 진정한 토착 생물학적 조직과는 다를 것입니다. 그 이유는 세포가 발달 중, 발달 중, 발달 중에, 완전히 조립되지 않기 때문입니다.

그래서 우리가 하려고 하는 것은, 미시적 규모와 미시적 규모에서의 움직이는 조직 공학과 관련하여, 이 복잡성을 다시 포착하려고 노력하는 것입니다. 그렇다면 어떻게 해야 할까요? 그렇다면, 우리가 생성하고자 하는 복잡성은 무엇일까요?

글쎄요, 그 중 하나는 혈관형성 조직(vascularization virus)이 매우, 매우 혈관성(vascularization)이라는 것인데, 그 공급은 조직에 산소와 영양분 그리고 다른 필요한 것들을 공급합니다. 그래서 지금 당장은 실제로 큰 조직 구조를 설계하고 모든 세포에 적절한 양의 영양분과 산소를 공급할 수 있는 능력을 갖추는 것이 매우 어렵습니다. 미시적 기술을 통해 우리가 할 수 있는 한 가지는 실제로 잠재적으로 우리의 3차원 구조에서 미시 혈관 구조를 직접 엔지니어링하는 것입니다.

미시적 기술을 통해 우리가 할 수 있는 또 다른 일은 이 3차원 구조 내에서 서로 다른 세포 유형이 어떻게 상호 작용하는지 제어하는 것입니다. 그러니까 여러분은 특정 구조에 있는 세포 유형을 갖고 싶고, 몸 안에 있는 것처럼 그 옆에 2차 세포 유형을 갖고 싶을 수도 있습니다. 그리고 미시적 기술을 사용하여 우리는 우리의 3차원 구조 내에서 신체에 존재하는 이러한 종류의 기하학적 구조와 복잡성을 다시 포착하려고 시도할 수 있습니다.

따라서 우리는 그들이 비계 내부에서 직접 자체 조립되기를 반드시 바랄 필요는 없습니다. 여러 가지 과제가 있습니다. 조직을 어떻게 조작할 수 있는지에 대한 주요 과제 중 하나는, 설령 우리가 3차원의 조직을 만든다 하더라도, 우리는 여전히 그 조직이 기능하기를 원하고, 정상 조직이 하는 다양한 기계적, 생화학적 대사 기능이 있다는 것입니다. 기본적으로 다시 캡처하고 모방합니다.

그래서 지금 당장 문제가 되고 있는 것은 많은 조직공학적 장기들이 본래의 생물학적 능력에 미치지 못한다는 것입니다. 그리고 문제의 일부는 우리가 현재 사용하는 재료 유형과 관련하여 다양한 응용 분야에 반드시 최적화되어 있지 않다는 것입니다. 그리고 아시다시피, 우리는 현재로서는 발달의 생물학과 상처 치유의 생물학을 더 잘 이해할 필요가 있습니다 이 3차원 골격 안의 세포들이 정상적인 발달 과정이나 정상적인 상처 치유 기간 동안 몸 속으로 들어가 실제로 재생된 세포를 모방한 최종 구조를 얻을 수 있는 조건을 재현할 수 있습니다. 아시다시피, 개발된 조직입니다.

그리고 생물학은 여전히 탐구되고 개발되고 있습니다. 그러니까, 아시다시피, 한 가지는 생물학이고, 다른 한 가지는 더 나은 재료입니다. 그리고 마지막으로, 큰 문제는 여전히 세포 소스라고 생각합니다.

아시다시피, 그렇기 때문에 대체 세포 공급원을 탐색하는 것이 정말 중요한데, 왜냐하면 우리 몸의 세포는, 아시다시피, 성체 줄기 세포는 매우, 아주, 잠재적으로 실행 가능한 세포 공급원이기 때문입니다. 또한 배아(embryontic)와 같은 것들과 같은 것들은, 사람들이 피부 세포나 다른 세포를 사용하여 실제로 매우 원시적인 세포를 얻어서 분화를 지시하고 실행 가능한 세포 공급원을 얻을 수 있도록 하는 새로운 접근법을 찾고 있습니다. 그래서 저는 이 세 가지 주요 문제라고 말하고 싶은데, 더 나은 재료, 생물학을 더 잘 이해하고, 향후 5년 이내에 더 나은 세포 공급원을 얻는 것입니다.

이러한 미시적 기술을 생물학자와 조직 엔지니어 모두에게 더 널리 적용할 수 있도록 하는 것과 관련하여 많은 변화가 있을 것입니다. 많은 사람들이 생물학을 연구하고 미시적 해상도로 조직을 생성하는 것이 얼마나 중요한지 깨닫고 있다고 생각합니다. 그리고 저는 이것이 향후 몇 년 동안 매우, 아시다시피, 계속되는 추세가 될 것이라고 믿습니다.

그리고 또 다른 측면은 최종 제품에 대한 사람들, 임상 의사, FDA 또는 기타 규제 기관, 그리고 기본적으로 기업인들 사이에 훨씬 더 많은 상호 작용이 있을 것이라는 것입니다. 그래서 거기에는 점점 더 많은 상호작용이 있을 것이고, 기초 연구자들과 함께 실제로 과거로 돌아가 개발된 과학의 일부를 상업화하는 데 있어 주요 문제가 무엇인지 보려고 노력할 것입니다. 그리고 저는 어떻게 하면 안전하고 윤리적으로 책임감 있는 방식으로 이 일을 할 수 있을까 생각합니다.

그래서 저는 과학적으로도 여전히 큰 진전이 있다고 생각하지만, 다른 것들과 관련해서도 여전히 많은 것들이 만들어질 것이고 적어도 5년은 처음 몇 단계, 그리고 향후 10년, 15년 동안은 이러한 기술들 중 일부가 어떻게 진행되는지에 대해 정말 흥미로워질 때입니다 특히 조직 공학과 IT 분야와 관련하여, 이러한 기술을 약물 발견 분석 등에 적용하는 경우, 실제 응용 분야에서 어떻게 사용될 것인지는 우리가 이야기하는 기관과 우리가 이야기하는 응용 프로그램의 종류에 따라 다릅니다. 인공 조직에 대한 첫 번째이자 가장 분명한 응용 분야는 약물 발견 분야 또는 진단 분야로, 신체 외부의 조직 배양에서 가질 수 있는 더 나은 생리학적 모델을 더 잘 이해하고, 이를 분석하고, 생물학을 더 잘 이해하기 위해 조사하거나, 이해하기 위해 조사할 수 있습니다. 아시다시피, 효과적인 화학 물질이나 약물입니다. 그리고 제 생각에, 그 분야에서, 가장 큰 도전은 가능한 한 완벽하게 토착 조직을 모방한 무언가를 얻는 것인데, 그래서 만약 여러분의 조직 구조가 어떤 것이 독성이라고 말한다면, 만약 여러분이 그것을 동물에게 넣는다면, 그 동물에게 넣는다면, 그것이 될 것이라는 확신을 가질 수 있습니다. 그것은 독성이 있을 것이고 당신이 동물에서 어떤 반응을 보일지 매우 예측할 것입니다.

따라서 실제 치료 적용과 관련해서는 아직 극복해야 할 장애물이 훨씬 더 많다고 생각합니다. 제 생각에 가장 중요한 것은 이러한 치료제가 단기적으로나 장기적으로 어떻게 작용하느냐 하는 것인데, 그 이유는 이질적인 세포들, 이를테면 배아 줄기세포나 다른 사람들로부터 유래한 조직공학적 세포나 줄기세포가 어떻게 작용하는지 제대로 이해하지 못하기 때문입니다. 장기적으로 내 몸이나 다른 사람의 몸에. 그리고 다른 하나는, 다른 윤리적 질문들도 있다고 생각하는데요, 어떻게 우리가 실제로 어떻게 할 수 있는가, 무엇이 가장 좋은 세포 공급원인지, 윤리적으로 도전적인 도전이고, 윤리적으로 책임이 있을 뿐만 아니라, 과학적으로나 임상적으로도 실현 가능하고, 실제로 장기를 공학적으로 만드는 것과 관련하여, 제 생각에, 가장 중요한 질문은 안전하면서도 제대로 기능할 수 있는 무언가를 가질 수 있는가 하는 것입니다. 아시다시피, 모든 종류의 조직 공학 기관이 극복해야 하는 많은 조절 메커니즘이 있습니다.

제 생각에 FDA는 이 시점에서 사람들이 치료용으로 설계하는 생물학적 조직을 실제로 규제하는 방법을 모색하기 시작했습니다. 그리고 제 생각에는 이런 종류의 제품이 상용화되는 데에는 한두 가지 선례가 있다고 생각하지만, 실험실에서 최종 제품으로 무언가를 얻기 위해 어떤 일이 일어날지 정확히 알 수 있는 매우 표준화된 경로는 아직 없습니다. 이러한 인공 생체 조직 중 일부와 관련하여, 그것은 실제로 장기에 달려 있습니다. 그러니까 피부와 같은 것들의 경우, 우리는 이미 그것을 가지고 있습니다.

심장, 완전한 심장 같은 것에 대해서는, 우리는 아주 멀리 떨어져 있다고 말하겠어요. 아시다시피, 아마도, 아마 50세쯤 될 겁니다만, 저는 아주 보수적이 되고 싶습니다. 더 빨리 일어날 수도 있지만, 정상적인 생물학적 조직처럼 적절하게 복잡하고 적절하게 기능하는 것을 얻기 위해서는 많은 어려움이 있습니다.

하지만 제 생각에는, 심장 조직과 같은 작은 것들에 관해서는, 아시다시피, 완전한 심장이 아니라, 우리는 훨씬 더 가깝습니다. 임상 적용과 실제로 규제 절차를 거친 것에 관해서는, 15년 안에 이식 가능한 심장 조직 조각을 실제로 가질 수 있고, 할 수 있습니다. 그리고 저는 이 중 대부분이 규제 단계에 있을 것이라고 생각하는데, 왜냐하면 지금 당장은 약물을 승인하는 데 12년이 걸리기 때문입니다.

그러니까 우리가 지금 당장 완벽하다고 생각하는 것을 가지고 있다 하더라도, 그것이 안전한지, 그리고 그것이 적절한 기능을 수행하는지, 그래서 우리가 그것을 환자들에게 널리 사용할 수 있도록 하는 데에는 적어도 10년은 걸릴 것입니다.