3D 프린팅 기술, 그리고 적층 제조 기술은 산업과 건축은 물론 의료 분야에서도 다양한 용도로 활용되고 있다. 특히 의료 분야에서는 의수나 의족, 혹은 결손 치아를 3D 프린팅하는 것에서부터 좀 더 미세하고 핵심적인 부분인 인간의 장기를 프린팅할 수 있는 수준으로 빠르게 발전하고 있다.

그리고 이런 세포 단위의 3D 프린팅 기술이 이제는 신경계, 그리고 인간의 뇌조직까지 프린팅할 수 있는 시대가 됐다. 물론 이 프린팅 기술로 인간의 뇌를 그대로 재현하거나 복제할 수는 없지만, 아직도 인간의 이해가 완전히 미치지 않는 미지의 영역인 인간의 뇌에 대한 더 많은 연구와 실험을 할 수 있는 기반이 마련된 것이다.

이번에 위스콘신-매디슨 대학교(University of Wisconsin-Madison)의 연구진이 셀 스템 셀(Cell Stem Cell) 저널에 발표한 논문(‘3D bioprinting of human neural tissues with functional connectivity.’)에 의하면, 3D 프린팅으로 실제로 기능하는 인간 뇌조직을 구현했다.

연구진은 레이어를 수직으로 쌓는 기존의 3D 프린팅 방식 대신 수평으로 배열하는 방식을 사용해 부드러운 ‘바이오 잉크(bio-ink)’ 젤로 둘러싸인 뇌 세포 레이어를 제작했다.

다시 말해 다능성 줄기세포에서 성장한 뉴런을 피브리노겐(Fibrinogen) 단백질과 트롬빈(Thrombin) 효소로 만든 젤 안에 넣어 3D프린팅용 잉크로 만든 것이다. 이 방식을 이용하면, 이론적으로 거의 모든 유형의 뉴런을 언제든지 만들어낼 수 있는 것으로 알려졌다.

이 논문의 공동 저자이자 위스콘신-매디슨 대학교의 신경과학 교수인 수천 장(Su-Chun Zhang) 교수는 “3D 프린팅된 조직은 서로 연결을 유지할 수 있는 구조를 형성하고 있지만, 뉴런이 서로 성장하고 통신할 수 있을 만큼 유연하다”고 말한다.

이런 특성 때문에 다능성 줄기세포에서 성장한 각각의 뉴런은 성장 배지에서 충분한 산소와 영양분을 공급받으며 성장할 수 있었다.

연구진은 실험에서 인쇄된 세포는 인쇄된 각 층 내부와 층 사이를 연결해 인간의 뇌와 유사한 네트워크를 형성하고, 뉴런의 신경전달물질(neurostrnsmitter)을 이용해 신호를 보내고 소통하고, 서로 상호작용하며, 인쇄된 조직에 추가된 지지 세포의 도움으로 적절한 네트워크를 형성한다는 사실을 발견했다.

수천 장 교수는 인공적으로 대뇌피질(cerebral cortex)와 선조체(striatum)을 프린팅했으며, 뇌의 서로 다른 영역의 상이한 세포를 프린트하더라도 이들이 매우 특별한 방식으로 서로 대화한다는 것을 발견했다고 말했다. 이는 일반 뇌 조직에서는 볼 수 없는 세포의 종류와 배열을 제어할 수 있는 프린팅 기술의 정밀성 덕분이다.

이번 인간 뇌조직 3D 프린팅이 갖는 이점은 거의 모든 유형의 뉴런을 언제든지 생산할 수 있기 때문에 다양한 뉴런의 조합을 시도해 볼 수 있다는 것이다. 이런 특징 덕분에 특정 조건에서 신경 세포가 서로 어떻게 통신하는지 매우 구체적으로 확인할 수 있기 때문이다.

특히 개별적인 세포 단위가 아닌, 신경계 시스템에 대한 관찰이 가능하기 때문에, 예를 들면 알츠하이머에 걸린 조직에서 신경 세포가 서로 통신하는 방식을 연구하는 데 사용하거나, 각종 신약 개발 등에도 적용할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

수천 장 교수와 연구진은 시중에서 쉽게 구할 수 있는 바이오 프린터를 이용했기 때문에 다른 기관에서도 자체적으로 인간의 뇌 조직을 프린트할 수 있도록 기술을 공개했으며, 다음 단계로 사전 정의된 방식으로 세포를 인쇄하는 방법을 개발함으로써 뇌 조직을 좀 더 세밀하게 제어하면서 제조하기 위한 연구를 추진하고 있다.