우리의 피부는 생명공학이 만들어낸 자연의 경이로움이다.

신체에서 가장 큰 기관으로 감염으로부터 보호하는 방수 방어 시스템이다. 그것은 치솟는 기온 속에서도 우리를 시원하게 유지해주는 땀샘으로 가득 차 있다. 일광화상, 긁힘, 찰과상, 식용유 튀김, 기타 일상생활 사고 등 심각한 구타를 당할 수 있지만 빠르게 재생된다. 물론, 지속적인 흉터가 있을 수 있지만 손상이 덜한 징후는 결국 사라진다.

 

이러한 장점을 고려할 때 과학자들이 실험실에서 피부를 재현하려고 시도한 것은 놀라운 일이 아니다. 예를 들어, 인공 피부는 로봇이나 보철물을 덮어 온도를 "느끼고" 만지거나 손상되었을 때 치유할 수 있는 능력을 부여할 수 있다.

 

생명의 은인이 되기도 한다. 피부의 자가치유력에는 한계가 있다. 심한 화상을 입은 사람들은 종종 다른 신체 부위에서 피부 이식을 받아야 한다. 효과적이긴 하지만, 절차는 고통스럽고 감염 가능성을 높인다. 어떤 경우에는 손상되지 않은 피부가 충분하지 않을 수도 있다. 유사한 딜레마가 전투에서 부상을 입은 군인이나 유전성 피부 질환을 앓고 있는 군인들에게 발생한다.

 

아무리 말해도 피부의 모든 초능력을 재현하는 것은 어렵다. 그러나 지난주 웨이크 포레스트 대학교 연구팀은 생쥐와 돼지에 이식하면 큰 상처를 치료하는 인공 피부를 향한 큰 진전을 이루었다.

 

연구팀은 6가지 서로 다른 인간 피부 세포 유형을 '잉크'로 사용해 3층 구조의 인공 피부를 인쇄했다. 이전 버전과 달리 이 인공 피부는 인간 피부의 구조와 매우 유사하다

개념 증명 연구에서 팀은 피부 손상이 있는 생쥐와 돼지에게 피부를 이식했다. 피부 이식편은 주변 피부의 혈관으로 빠르게 침투하여 숙주에 통합된다. 그들은 또한 상처를 치유하고 흉터를 줄이는 데 필수적인 단백질인 콜라겐을 자연 피부와 유사한 구조로 형성하는 데 도움을 주었다.

 

연구 저자인 앤서니 아탈라(Anthony Atala) 박사는 “이러한 결과는 인간의 생명 공학적 피부 전체 두께를 만드는 것이 가능하며 더 빠른 치유와 더 자연스럽게 나타나는 결과를 촉진한다는 것을 보여준다.”고 말했다.

 

잠깐... 전체 두께 피부란 무엇일까?

우리는 종종 피부를 몸을 감싸는 시트로 상상한다. 하지만 현미경으로 보면 그것은 생체 건축의 복잡한 걸작이다.

아니면 3겹 케이크로 생각하면 되겠다.

각 층에는 고유한 기능에 맞는 다양한 세포 유형이 있다. 최상위 레이어는 가디언이다. 외부 세계와 직접 연결되어 있으며 자외선, 건조한 날씨, 해로운 박테리아를 견딜 수 있는 세포 유형을 가지고 있다. 또한 색소 침착을 생성하는 세포도 들어 있다. 이 세포는 손상되면 지속적으로 탈락하고 장벽을 강하게 유지하기 위해 교체된다.

 

중간 레이어는 브리지이다. 여기에서는 혈관과 신경 섬유가 피부를 신체의 나머지 부분과 연결한다. 이 층은 체모, 땀, 윤활유를 생성하는 세포로 가득 차 있다. 이는 여드름이 발생하기 쉬운 사람의 골칫거리이다. 가장 넓은 층인 콜라겐은 피부에 유연성과 힘을 주는 콜라겐으로 단단히 결합되어 있다.

 

마지막으로 가장 깊은 피부층은 "푹신한 털"이다. 주로 콜라겐과 지방 세포로 구성된 이 층은 충격을 흡수하는 역할을 하며 피부를 부상으로부터 보호하고 체온을 유지하는 데 도움을 준다.

이러한 모든 구조와 기능을 재현하는 것은 엄청나게 어렵다.

 

아탈라(Atala)의 솔루션? 3차원 바이오프린팅.

게임 속 스킨

아탈라(Atala)는 바이오프린팅에 대해 낯설지 않다.

2016년에 그의 팀은 어떤 형태의 대형 조직도 인쇄할 수 있는 조직-장기 프린터를 개발했다. 팀은 임상 데이터를 사용하여 다양한 뼈 구조와 근육을 프린팅할 때 프린터를 안내하는 컴퓨터 모델을 만들었다. 몇 년 후, 그들은 손상된 피부를 직접 패치하기 위해 최상층 또는 중간층의 두 가지 세포 유형을 사용하는 피부 바이오프린터를 설계했다. 피부는 큰 상처를 아물 수 있지만 자연 피부의 복잡성 중 일부만 포착할 뿐이다.

 

새로운 연구에서는 6가지 유형의 인간 세포를 바이오잉크로 사용하여 피부 구조를 위에서 아래까지 재현했다. 인공 피부를 제조하기 위해 팀은 컴퓨터 소프트웨어를 사용하여 각 층의 세포 배치를 지시했다. 3D 압출 프린팅이라고 불리는 이 기술은 공기압을 사용하여 노즐에서 매우 정교한 조직을 프린팅한다. 복잡해 보이지만 마치 케이크를 장식하기 위해 다양한 색깔의 아이싱을 짜내는 것과 비슷하다.

 

첫 번째 단계로, 연구팀은 주로 간에서 분비되는 단백질로 만들어진 하이드로젤에 세포를 부유시켰다. 합성 물질과 달리 신체에서 생성되는 이 염기는 생체 적합성을 높인다. 그런 다음 팀은 각 면이 1인치(각설탕보다 약간 큰) 크기로 층별로 3D 피부 이식편을 인쇄했다.

바이오프린팅된 피부는 실험실에서 최소 52일 동안 3개의 층을 유지했으며 색소침착과 정상적인 벗겨짐이 있는 부위가 발달했다.

 

고무된 팀은 다음으로 쥐의 인공 피부를 테스트했다. 인공피부 이식술로 치료한 상처는 모두 2주 만에 완전히 치유됐다. 하이드로겔만 단독으로 치료하거나 상처가 자연 치유되도록 방치한 것과는 대조적이다.

특히 인공피부는 피부의 상부 보호층을 구축하는 능력이 뛰어나 자연치유와 유사한 구조를 형성했다. 또한 콜라겐을 생성하고, 더 중요한 것은 이를 인간의 피부와 유사한 고리버들 바구니 같은 구조로 엮었다.

생체 인쇄된 피부는 쥐 자신의 혈관 세포를 추가로 모집하여 이식편 내부에 작은 혈관 네트워크를 생성했다. 연구팀은 이식편에서 인간 단백질을 추적하기 위해 염색을 사용하여 이식된 세포가 피부의 중간층에서 숙주와 통합되어 있음을 발견했다.

 

삐걱거리는 소리가 들리는가?

쥐는 인간보다 피부가 더 얇다. 대조적으로 돼지의 가죽은 우리의 피부에 더 가깝다. 두 번째 테스트에서 팀은 돼지 이식 기술을 확장했다. 여기에서 그들은 생검을 통해 돼지로부터 피부 외층, 콜라겐, 혈관 및 지방 조직을 구성하는 일부 세포를 포함하여 4가지 유형의 세포를 수확하고 28일 동안 생물반응기 내부에서 성장시켰다.

 

일부 배치가 실패했다. 그러나 평균적으로 양조주는 더 큰 적용 범위를 위해 초기 이식편의 크기를 두 배로 늘릴 만큼 충분한 세포를 생성했다. 생성된 인공 피부 패치는 대략 루빅스 큐브의 면 크기였으며 돼지 피부의 두께와 일치했다.

생쥐의 결과와 마찬가지로 이식편은 피부가 포도와 건포도처럼 수축되어 흉터를 유발하는 일반적인 "주름" 효과 없이 큰 상처를 빠르게 닫았다.

연구팀은 이식편이 상처 치유를 담당하는 유전자를 증폭시켰고, 일부 유전자는 새로운 혈관을 성장시키고 흉터를 줄이는 데 도움이 되는 면역 반응을 조절하기 때문일 가능성이 높다고 결론지었다.

 

인공 피부는 유망하지만 아직 초기 단계이다. 돼지에 접목했을 때 색소 침착이 확실하게 생성되지 않아 피부색이 어두운 사람들에게 문제가 될 수 있었다. 이식편은 또한 체모를 생성하지 않았지만 바이오잉크에서 성장할 수 있는 구조를 포함하고 있었다. 최악은 아닐 수도 있지만(더 이상 면도를 하지 않아도 된다!) 결과는 아직 배울 것이 많다는 것을 보여준다.

Atala에게는 그 노력이 그만한 가치가 있다. “포괄적인 피부 치유는 제한된 선택권으로 전 세계 수백만 명의 개인에게 영향을 미치는 중요한 임상 과제이다.”라고 그는 말했다. 이 연구는 인간의 치명적인 상처를 치료하기 위해 실물 크기 피부를 인쇄하는 것이 가능하다고 제안한다.

이미지 제공: 현미경으로 관찰한 정상적인 피부 세포. Torsten Wittmann, 캘리포니아 대학교 샌프란시스코(NIH/Flickr를 통해)