ARPA-H, 주문형 장기 프린팅에 1억 7,600만 달러 지원

장기 부족과 주문형 바이오프린팅의 필요성

장기 기증은 수백만 명의 생명을 유지하는 핵심 의료 수단으로, 미국에서만 매년 약 5만 건의 이식이 이루어집니다. 그러나 장기 공급은 수요를 충족하지 못하고 있습니다. 미국에서는 하루 13명이 장기 이식을 기다리다가 사망하며, 10만 3,000명 이상이 전국 대기 명단에 올라 있습니다.

장기 기증을 늘리면 이러한 부족을 일부 완화할 수 있으므로 기증 확대는 여전히 중요한 정책 과제입니다. 그러나 적합한 기증자를 찾는 일도 전체적인 기증자 부족만큼 어려운 경우가 많습니다.

이상적으로는 어떤 장기든 필요할 때 ‘생산’할 수 있다면 더 나은 해결책이 될 것입니다. 하지만 이것만으로 적합성 문제나 면역체계를 약화시키는 거부반응 억제제 복용의 필요성까지 없어지는 것은 아닙니다. 이식된 장기는 원래 장기보다 수명이 짧은 경향도 있습니다.

“환자가 이식을 받더라도 장기는 보통 15~23년 정도만 기능하며, 거부반응을 막기 위해 평생 약물을 복용해야 합니다. 이러한 약물은 비싸고 심각한 건강 문제를 일으킬 수 있습니다.”

현재의 상황은 치료 결과의 큰 불평등으로도 이어집니다. 지리적 거리와 특정 혈액형의 적합성 같은 요인 때문에 농촌 지역 주민과 소수 집단은 훨씬 더 큰 장벽을 겪습니다. 이러한 격차를 보여 주는 수치는 분명합니다.

• 대기 명단의 구성: 흑인 미국인은 이식 대기자의 약 28%를 차지하지만, 2024년 실제 이식의 약 23%만 받았습니다.
• 이식 기회의 격차: 반면 백인 미국인은 대기 명단의 약 39%를 차지했지만 전체 이식의 약 49%를 받았습니다.
• 기증자 확보: 생물학적 적합성을 위해 비슷한 인종·민족적 배경의 기증자가 필요한 경우가 많지만, 집단별 기증률에는 큰 차이가 있습니다. 2024년 전체 기증자 중 백인은 약 67%, 흑인은 약 13%, 히스패닉은 약 15%였습니다.

인구학적 특성과 관계없이 어느 환자에게나 이식할 수 있는 주문형 장기는 이 시스템의 불평등을 크게 줄일 수 있습니다.

이것이 바로 미국 보건복지부(HHS) 산하 보건의료고등연구계획국(일련의 연구 지원금을 제공하는 기관인 ARPA-H)이 추구하는 목표입니다. ARPA-H는 2022년 의회가 승인한 10억 달러 예산과 조 바이든 대통령이 서명한 법률에 따라 설립되었습니다.

“누구에게나 적합한 장기를 개발하는 것은 이식 역사상 한 번도 이루어진 적이 없습니다. 정밀하게 적합성을 맞춘 기능성 인간 장기를 프린팅하면 이식 의학의 가능성이 근본적으로 달라지고 수많은 생명을 구할 수 있습니다.”

— 앨리샤 잭슨, Ph.D., ARPA-H 국장

ARPA-H의 PRINT 프로그램은 면역억제제가 필요하지 않은 장기 프린팅 기술의 개발을 촉진하려는 사업입니다. 정식 명칭은 Personalized Regenerative Immunocompetent Nanotechnology Tissue입니다.

“목표는 환자 자신의 세포나 바이오뱅크의 세포를 사용해 몇 시간 안에 신장, 심장, 간과 같은 면역학적으로 적합한 대체 장기를 빠르게 생산하는 것입니다.”

3D 바이오프린팅이란 무엇이며, 장기 프린팅은 왜 어려운가?

3D 프린팅, 즉 적층 제조는 이제 비교적 익숙한 기술입니다. 플라스틱 필라멘트에서 시작해 금속을 포함한 다양한 재료로 적용 범위가 넓어지고 있습니다. 다음 도전은 생체 조직을 프린팅하는 것입니다.

세포를 하나씩 복잡한 3차원 배열과 여러 층으로 배치하면, 3D 바이오프린팅으로 장기에 필요한 정확한 형태와 조직 구조를 재현할 수 있습니다. 초기의 성공적인 개념 입증 사례 중 하나는 2016년 웨이크포리스트대학교가 제작한, 기능을 갖추고 생물학적으로 생존 가능한 3D 프린팅 귀였습니다. (ARPA-H 지원 대상 중 하나인 웨이크포리스트대학교의 이 페이지에서 바이오프린팅을 자세히 알아볼 수 있습니다.)

바이오프린팅 시장은 현재 주로 특수한 용도와 학술 연구에 한정되어 있지만, 2025년 이미 29억 1,000만 달러 규모이며 2034년까지 연평균 12.54%의 복합성장이 예상됩니다.

핵심 구상은 환자 자신의 세포로 장기를 만들어 면역반응 위험을 모두 없애거나, 같은 결과를 얻도록 조작한 바이오뱅크 세포를 사용하는 것입니다. 최근 이 기술은 초음파로 유도하는 바이오프린팅, 당뇨병 치료를 위한 췌도 바이오프린팅, 실험실 연구용 3D 프린팅 피부, 피부 이식편 등에서 상당한 진전을 보였습니다.

ARPA-H의 PRINT 프로그램 설명

개요

프로그램의 목표는 지금까지 달성하기 어려웠던 과제, 즉 인간의 장기 크기로 3D 프린팅하는 것입니다. 심장처럼 기능하고, 신장처럼 혈액을 여과해 소변을 만들며, 간처럼 대사를 유지할 수 있도록 필요한 모든 세포, 혈관, 조직 재료를 갖춰야 합니다.

현재 이 세 가지 핵심 장기에 집중하는 프로그램이 성공하면 향후 췌장과 폐로 확대할 수 있습니다. PRINT에는 5년에 걸쳐 최대 1억 7,680만 달러가 투입됩니다. 실제 지급 금액과 시기는 각 연구팀이 도전적이고 촉박한 단계별 목표를 달성하는지에 따라 결정됩니다.

프로그램은 2024년에 시작되었으며, 다음 세 가지 기술 분야에 초점을 맞춘 연구 제안을 요청했습니다.

• 가장 적합한 세포 공급원에서 장기에 필요한 모든 세포 유형을 만들어 낼 것.
• 장기를 구성하는 세포 유형을 대규모로 생산할 것.
• 장기를 바이오제조하고 임상시험계획(IND) 신청을 뒷받침하는 생체 내 시험을 수행할 것.

2026년 1월에는 프로그램에 선정된 연구팀들이 발표되었습니다.

ARPA-H PRINT 지원을 받은 기관

카네기멜런대학교

피츠버그에 있는 이 대학은 경제성이 있고 면역반응을 유발하지 않는 바이오프린팅 간을 개발해, 5년 안에 첫 인체시험을 준비하는 것을 목표로 합니다. 프로젝트 이름은 LIVE이며, 정식 명칭은 Liver Immunocompetent Volumetric Engineering입니다.

이 프로젝트를 위해 ARPA-H에서 2,850만 달러를 지원받습니다.

공학적으로 제작한 간은 우선 급성 간부전 치료용으로 생산되며, 장기적으로는 모든 형태의 간부전에 대응하는 것이 목표입니다.

“우리가 만드는 간은 약 2~4주 동안 기능할 것입니다. 환자 자신의 간이 재생할 시간을 벌어 주고, 이후 간 이식이 필요 없어지면 그 기증 간을 다른 환자에게 제공할 수 있습니다.”

— 애덤 파인버그, 카네기멜런대학교 의공학 교수

웨이크포리스트대학교

노스캐롤라이나주 윈스턴세일럼에 있는 이 대학은 신장질환 환자의 신장 기능을 보완할 수 있도록, 혈관을 갖춘 임상용 신장 조직을 생산하려고 합니다.

이 프로젝트는 전임상시험과 상용화 계획 수립을 병행합니다. 이를 통해 의료적으로 우수한 성능뿐 아니라 경제적 타당성도 확보하여, “미국에서 커지는 기증 장기 부족 문제에 비용 효율적인 해결책”을 제공하려는 것입니다.

위스연구소

보스턴에 있는 하버드대학교의 이 연구소는 성체줄기세포로 보편적인 적합성을 갖춘 간 조직을 임상 규모로 개발할 예정입니다.

루이스 연구실은 SWIFT라는 또 다른 방법을 개발했습니다. 기능성 조직 안에 희생재료로 경로를 형성하는 이 방식에서는 줄기세포 유래 응집체 수십만 개를 밀도 높은 살아 있는 장기 구성 블록(OBB) 매트릭스로 모읍니다. 여기에는 밀리리터당 약 2억 개의 세포가 들어 있습니다.

연구팀은 적절한 혈관 형성에 집중함으로써 이 기술이 다양한 간 기능 장애 환자에게 도움이 되기를 기대합니다.

캘리포니아대학교 샌디에이고

이 대학은 지역 기업 Allele Biotechnology가 생산한 줄기세포를 이용해 간을 프린팅할 예정입니다. 이를 위해 ARPA-H에서 약 2,500만 달러를 지원받습니다.

간은 기증 조직이나 면역억제제 없이도 각 개인의 고유한 해부학적·생리학적 특성에 맞춰 제작됩니다. 이상적으로는 이를 통해 3D 프린팅 장기의 장기적인 기능과 신체 내 통합을 확보할 수 있습니다.

“압출 방식으로 프린팅하는 다른 연구팀과 우리의 차이는 페이지 전체를 한꺼번에 프린팅한다는 것입니다. 이는 실제로 그들의 방식보다 1만 배 빠릅니다.”

— 샤오천 천, 해당 대학 제이컵스 공과대학 교수
모든 일이 계획대로 진행되면 5년 안에 인체시험이 이루어질 것으로 예상됩니다.

텍사스대학교 사우스웨스턴 메디컬센터

댈러스에 있는 이 대학은 간부전 환자에게 완전한 기능을 제공할 수 있는 이식용 간을 개발하기 위해 약 2,500만 달러를 지원받습니다. 프로그램 이름은 Vascularized Immunocompetent Tissue as an Alternative Liver(VITAL)로, 대체 간으로 사용하는 혈관화된 면역적합 조직을 뜻합니다.

“UTSW는 최근 1,000번째 간 이식을 기념한 탄탄한 고형장기 이식 프로그램을 갖추고 있습니다. 이 프로젝트는 의생명 혁신을 통해 환자 치료를 개선하는 대담한 한 걸음입니다. 엔지니어, 임상의, 과학자를 한데 모아 발견을 현실의 해결책으로 전환하고, 기능성 장기 프린팅이 실현되는 미래를 만들어 갑니다.”

— 새뮤얼 아칠레푸 박사, 초대 의공학과장
이는 대사적으로 기능하는 장기를 만드는 것뿐 아니라, 혈관을 다시 연결해 혈류를 회복하고 체액을 운반할 담관 체계를 구축하는 것을 의미합니다.

ARPA-H가 장기 프린팅 개발을 앞당길 수 있는 이유

장기의 3D 프린팅은 많은 관심을 받는 아이디어이지만 실제 임상 적용으로는 천천히 이어지고 있습니다. 수많은 복잡한 세부 유형의 세포 수천억 개로 이루어진 장기를 재현하려면, 아직 충분히 이해되지 않은 세부 사항까지 다뤄야 하기 때문입니다.

장기를 처음부터 설계하는 것은 엔진이 정확히 어떻게 작동하는지 모른 채 알려진 부품으로 제트 엔진을 조립하는 것과 비슷합니다. 다행히 살아 있는 세포, 특히 줄기세포는 스스로 조직화해 완전한 장기를 형성하는 성질이 있어 연구진에게 도움이 됩니다.

ARPA-H가 이 분야에 대규모 자금을 투입하면서, 기존 기증 장기보다 우수할 수도 있는 프린팅 장기를 만나는 시점이 앞당겨질 것으로 기대됩니다.

3D 바이오프린팅 및 재생 의학에 대한 투자

유나이티드 테라퓨틱스

유나이티드 테라퓨틱스 (UTHR )는 바이오프린팅의 선구자로 오랜 역사를 갖고 있으며, 3D Systems Corporation (DDD )와 이미 2017년에 이 분야의 협력관계를 맺었습니다.

이 회사는 간질성 폐질환(ILD), 폐동맥고혈압(PAH), 신경모세포종 같은 희귀질환과 말기 폐질환에 집중합니다.

따라서 3D 바이오프린팅이 회사의 미래에 중요하더라도, 이 회사는 동시에 전통적인 바이오테크 기업이기도 합니다. 기존 사업은 최근 12개월간 16억 달러 이상의 영업현금흐름과 탄탄한 현금 보유액을 제공하여, 기존 주주의 지분을 과도하게 희석할 위험 없이 혁신에 계속 자금을 투입할 수 있게 합니다.

회사의 매출은 2020년대 들어 꾸준히 증가했습니다. 주된 이유는 미국에서 폐동맥고혈압(PAH) 치료에 가장 많이 처방되는 프로스타사이클린인 타이바소(Tyvaso)의 판매 성장입니다. 이 제품의 판매는 2025년에도 전년 대비 10% 증가했습니다.

바이오프린팅에서는 아직 연구개발 단계에 있습니다. 가장 앞선 제품은 폐 이식용이며, 신장과 간을 대체하는 제품도 개발 중입니다.

장기 분야 외에 회사의 연구개발 계획은 주로 타이바소의 적용 범위를 넓혀 판매를 늘리는 데 집중되어 있습니다.

따라서 3D 프린팅에 대한 관심과 연구 예산이 커지는 가운데, 이 분야에서 앞서 있고 임상시험을 시작하는 유나이티드 테라퓨틱스 같은 기업은 초기 기술을 상용화할 때 뚜렷한 우위를 가질 수 있습니다. 이후 수십 년에 걸친 개선과 함께 관련 특허의 갱신 또는 새로운 특허가 이어질 가능성이 있습니다.

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