이자(췌도) 이식은 제1형 당뇨병에서 내인성 인슐린 분비를 회복하기 위한 생리학적 접근법을 제공하지만, 광범위한 임상 적용은 공여자 부족, 면역 매개 거부, 그리고 이식편의 제한된 지속성으로 인해 여전히 제약을 받고 있다. 줄기세포 유래 이자(췌도)는 최근의 임상적 진전이 뒷받침하는 확장 가능한 대안으로 부상하였으나, 장기적인 치료 효능은 불완전한 성숙, 면역 부적합, 그리고 이식 후 지속되는 면역 매개 손상으로 인해 여전히 도전에 직면해 있다. 면역 거부를 완화하기 위한 초기 노력은 미세 및 거대 캡슐화를 포함한 물리적 면역 차폐 전략에 의존하여, 이식된 이자(췌도) 이식편에 대한 면역세포의 접근을 제한하는 방식으로 이루어졌다. 그러나 용해성 염증 매개 인자로부터의 불완전한 보호와 확산 관련 제약이 드러나, 보다 직접적인 면역 조절의 필요성이 부각되었다. 이에 대응하여 상당한 연구들이 영구 유전체 공학부터 일시적 유전자 발현 억제 및 면역 신호 프로그래밍에 이르기까지, 세포 내재적 전략의 스펙트럼을 통해 면역 회피성을 갖는 이자(췌도)를 공학적으로 설계하는 데 집중해 왔다. 그중에서도 clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR)-Cas9 기반 유전체 편집은 면역 인지 및 염증 신호 전달을 감소시키는 면역 관련 경로의 정밀한 수정을 가능하게 하여, 중심적인 플랫폼으로 자리 잡았다. 동시에, 생체재료 및 바이오제조의 발전은 면이식편(peri-graft) 주변의 물리화학적 환경을 조절할 수 있게 하였는데, 이는 면역 노출, 물질 수송, 그리고 기계적 제약을 좌우하면서도 확장 가능한 제조를 지원하는 국소 이식편 미세환경을 의미한다. 축적되는 근거는 유전적 면역 조절만으로도, 또는 외재적 미세환경 조절만으로도 이식편의 지속적인 기능을 보장하기에는 충분하지 않다는 점을 시사한다. 본 리뷰는 면역 회피, 면이식편 미세환경 조절, 그리고 제조 용이성을 통합하는 수렴적 설계 원칙을 강조함으로써, 임상에 적용 가능한 이자(췌도) 대체 치료의 발전을 도모하고자 한다.

세포는 비상히 민감하므로, 아주 사소한 변인도 세포 배양 결과의 재현성에 결정적으로 영향을 미칠 수 있다. 따라서 생물학적 및 화학적 불순물과 같은 불필요한 외부 요인의 영향을 완화하기 위해 상당한 시간과 자원을 투자함에도 불구하고, 동일한 조건에서도 세포 배양 결과의 불일치는 피할 수 없는 오류를 여전히 초래한다. 본 연구에서는 세포 배양 결과에 영향을 줄 수 있는 간과된 외부 요인으로서 접촉에 의해 유발되는 정전하를 처음으로 제안한다. 본 연구의 실험적 결과는 이러한 정전하로 인해 발생하는 전기적 출력, 표면 퍼텐셜, 정전기장을 측정하여 도출되었으며, 다른 재료와의 접촉을 통해 세포 배양용 용기의 표면에 상당한 정전하가 생성되어 축적될 수 있음을 확인한다. 이어서, 다양한 정전기 환경을 제공할 수 있도록 특별히 제작된 세포 배양용 용기 위에서 세포를 배양함으로써 생성된 정전하가 세포에 미치는 영향을 조사한다. 그 결과, 과도한 정전하는 세포 증식과 대사 활성을 억제하는 반면, 이러한 정전하를 중화하면 세포 증식과 부착이 모두 유의하게 향상됨이 명확히 나타났다. 이러한 결과는 정전하의 양이 세포 증식 및 부착에 유의미하게 영향을 미친다는 점을 시사한다. 또한 정전하를 관리함으로써 세포 성장을 증진하고 세포 배양 결과에서 발생하는 오류를 줄일 수 있어, 결과적으로 비용과 시간 효율을 모두 개선할 수 있을 것이다.

바이오하이브리드 엔지니어링 조직(BHET) 플랫폼은 전자 구성요소를 공학적으로 설계된 생체 조직과 통합함으로써 실시간 모니터링, 정밀한 조절, 조직 기능의 향상을 가능하게 하는 조직공학 분야의 최첨단 발전을 의미한다. 최근 생체제조(biofabrication) 및 바이오기능성 소재의 발전은 복잡한 생물학적 및 바이오전기 신호에 반응하여 정교한 생리적 과정을 재현할 수 있는 BHET 플랫폼의 설계를 촉진해 왔다. BHET 플랫폼은 생물학적 시스템과 전기적 시스템 간의 격차를 연결함으로써 질병 모델링, 재생의학, 개인맞춤형 의료 응용 분야에서 잠재력을 지닌다. 본 리뷰에서는 BHET 플랫폼을 세 가지 플랫폼(조직-센서, 조직-전자조절자, 조직-통신자 플랫폼)으로 분류하고, 생체제조에 관한 혁신과 데이터 기반 플랫폼 설계를 함께 탐색하며, 아울러 공학적으로 제작된 인간 조직의 확장성과 기능성을 향상시키기 위한 최적화를 포함한 향후 방향을 논의한다.

이자(췌도) 이식은 제1형 당뇨병에서 내인성 인슐린 분비를 회복하기 위한 생리학적 접근법을 제공하지만, 광범위한 임상 적용은 공여자 부족, 면역 매개 거부, 그리고 이식편의 제한된 지속성으로 인해 여전히 제약을 받고 있다. 줄기세포 유래 이자(췌도)는 최근의 임상적 진전이 뒷받침하는 확장 가능한 대안으로 부상하였으나, 장기적인 치료 효능은 불완전한 성숙, 면역 부적합, 그리고 이식 후 지속되는 면역 매개 손상으로 인해 여전히 도전에 직면해 있다. 면역 거부를 완화하기 위한 초기 노력은 미세 및 거대 캡슐화를 포함한 물리적 면역 차폐 전략에 의존하여, 이식된 이자(췌도) 이식편에 대한 면역세포의 접근을 제한하는 방식으로 이루어졌다. 그러나 용해성 염증 매개 인자로부터의 불완전한 보호와 확산 관련 제약이 드러나, 보다 직접적인 면역 조절의 필요성이 부각되었다. 이에 대응하여 상당한 연구들이 영구 유전체 공학부터 일시적 유전자 발현 억제 및 면역 신호 프로그래밍에 이르기까지, 세포 내재적 전략의 스펙트럼을 통해 면역 회피성을 갖는 이자(췌도)를 공학적으로 설계하는 데 집중해 왔다. 그중에서도 clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR)-Cas9 기반 유전체 편집은 면역 인지 및 염증 신호 전달을 감소시키는 면역 관련 경로의 정밀한 수정을 가능하게 하여, 중심적인 플랫폼으로 자리 잡았다. 동시에, 생체재료 및 바이오제조의 발전은 면이식편(peri-graft) 주변의 물리화학적 환경을 조절할 수 있게 하였는데, 이는 면역 노출, 물질 수송, 그리고 기계적 제약을 좌우하면서도 확장 가능한 제조를 지원하는 국소 이식편 미세환경을 의미한다. 축적되는 근거는 유전적 면역 조절만으로도, 또는 외재적 미세환경 조절만으로도 이식편의 지속적인 기능을 보장하기에는 충분하지 않다는 점을 시사한다. 본 리뷰는 면역 회피, 면이식편 미세환경 조절, 그리고 제조 용이성을 통합하는 수렴적 설계 원칙을 강조함으로써, 임상에 적용 가능한 이자(췌도) 대체 치료의 발전을 도모하고자 한다.

세포는 비상히 민감하므로, 아주 사소한 변인도 세포 배양 결과의 재현성에 결정적으로 영향을 미칠 수 있다. 따라서 생물학적 및 화학적 불순물과 같은 불필요한 외부 요인의 영향을 완화하기 위해 상당한 시간과 자원을 투자함에도 불구하고, 동일한 조건에서도 세포 배양 결과의 불일치는 피할 수 없는 오류를 여전히 초래한다. 본 연구에서는 세포 배양 결과에 영향을 줄 수 있는 간과된 외부 요인으로서 접촉에 의해 유발되는 정전하를 처음으로 제안한다. 본 연구의 실험적 결과는 이러한 정전하로 인해 발생하는 전기적 출력, 표면 퍼텐셜, 정전기장을 측정하여 도출되었으며, 다른 재료와의 접촉을 통해 세포 배양용 용기의 표면에 상당한 정전하가 생성되어 축적될 수 있음을 확인한다. 이어서, 다양한 정전기 환경을 제공할 수 있도록 특별히 제작된 세포 배양용 용기 위에서 세포를 배양함으로써 생성된 정전하가 세포에 미치는 영향을 조사한다. 그 결과, 과도한 정전하는 세포 증식과 대사 활성을 억제하는 반면, 이러한 정전하를 중화하면 세포 증식과 부착이 모두 유의하게 향상됨이 명확히 나타났다. 이러한 결과는 정전하의 양이 세포 증식 및 부착에 유의미하게 영향을 미친다는 점을 시사한다. 또한 정전하를 관리함으로써 세포 성장을 증진하고 세포 배양 결과에서 발생하는 오류를 줄일 수 있어, 결과적으로 비용과 시간 효율을 모두 개선할 수 있을 것이다.

바이오하이브리드 엔지니어링 조직(BHET) 플랫폼은 전자 구성요소를 공학적으로 설계된 생체 조직과 통합함으로써 실시간 모니터링, 정밀한 조절, 조직 기능의 향상을 가능하게 하는 조직공학 분야의 최첨단 발전을 의미한다. 최근 생체제조(biofabrication) 및 바이오기능성 소재의 발전은 복잡한 생물학적 및 바이오전기 신호에 반응하여 정교한 생리적 과정을 재현할 수 있는 BHET 플랫폼의 설계를 촉진해 왔다. BHET 플랫폼은 생물학적 시스템과 전기적 시스템 간의 격차를 연결함으로써 질병 모델링, 재생의학, 개인맞춤형 의료 응용 분야에서 잠재력을 지닌다. 본 리뷰에서는 BHET 플랫폼을 세 가지 플랫폼(조직-센서, 조직-전자조절자, 조직-통신자 플랫폼)으로 분류하고, 생체제조에 관한 혁신과 데이터 기반 플랫폼 설계를 함께 탐색하며, 아울러 공학적으로 제작된 인간 조직의 확장성과 기능성을 향상시키기 위한 최적화를 포함한 향후 방향을 논의한다.

여성 생식관의 질환은 다양한 선천적 또는 획득적 원인에서 발생할 수 있으며, 조직, 기능 또는 생식능력의 상실로 이어질 수 있다. 현재의 치료는 영구적인 해결책을 제공하지 못하고 있어, 대안적인 치료 접근의 필요성이 강조된다. 조직공학과 재생의학은 생식 조직을 재생하고 여성의 생식능력을 회복시키기 위한 유망한 전략으로 부상해 왔다. 특히 3D 바이오프린팅 기술은 생식관을 치료하고 재생하는 데 있어 상당한 잠재력을 보여주었다. 본 총설은 여성 생식관의 다양한 질환을 치료하기 위한 현재의 조직공학 적용을 포괄하고, 자궁, 난소, 자궁경부 및 질에 대해 3D 바이오프린팅 기술이 제공하는 혁신적인 해결책을 부각하는 것을 목적으로 한다. 생체재료와 세포 공급원의 주요 연구 및 발전을 평가함으로써, 본 총설은 생식 건강과 생식능력을 향상시키는 데 있어 3D 바이오프린팅의 큰 잠재력을 강조한다.

시력 상실을 초래하는 망막 혈관 질환 중 두 번째로 흔한 질환인 망막정맥폐쇄(retinal vein occlusion, RVO)는 전 세계적으로 약 2,800만 명에 영향을 미치며, 고지방 식습관으로 인해 유병률이 증가하고 있다. RVO는 높은 재발률과 근치적 치료 전략의 부재로 인해 특히 우려되는 질환이다. 다양한 망막 모델이 망막 혈관 질환을 연구하기 위해 개발되어 왔지만, 조직 특이적 미세환경을 재현하는 일은 여전히 어렵다. 특히, 혈액-망막장벽(blood–retinal barrier, BRB)과 좁은 혈관 구조와 같은 핵심 특징을 이전 모델에 통합하는 것은 어려운 것으로 입증되었다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 우리는 다중 노즐과 삼중 동축(triple-coaxial) 프린팅을 통합한 3D 바이오프린팅 시스템과, 망막 유래 탈세포화 세포외기질(retina-derived decellularized extracellular matrix, RdECM) 바이오잉크 및 혈관 조직 유래 dECM(VdECM)을 결합하여 retina-on-a-chip을 개발하였다. 이 플랫폼은 BRB 구획과 서로 연결된 혈관 구조를 성공적으로 통합하였다. RVO를 시뮬레이션하기 위해, 저밀도지단백(low-density lipoprotein, LDL)을 관류(perfusion)하고 혈관 프린팅 속도를 조절하여 혈관이 좁아지도록 함으로써 RVO-on-a-chip을 제작하였다. RVO-on-a-chip은 병적 변화가 혈관에서 기원하여 내측 및 외측 BRB 구획을 통해 전파되며, 실제 RVO 병변을 면밀하게 모사하는 방식으로 RVO의 진행을 성공적으로 재현하였다. 또한 칩에 적용한 약물 처치는 임상 결과에 필적하는 효능을 보였다. 본 칩은 망막 혈관 질환의 핵심 병리학적 특징을 효과적으로 재현함으로써 약물 시험을 위한 유용한 플랫폼을 제공하고, 망막 혈관 병리 연구의 진전에 기여한다. 이 칩은 RVO 및 관련 질환의 치료 전략을 개선하는 데 가능성을 지닌다.

제1형 당뇨병(Type 1 diabetes mellitus, T1DM)은 췌장에서의 인슐린 생산을 억제하거나 중단시키는 당뇨병의 한 형태이다. 다양한 치료 옵션이 임상에서 적용되고 있음에도 불구하고, T1DM의 불안정성 또는 저혈당에 대한 인지 부족으로 인해 모든 환자가 이러한 방법으로 치료될 수 있는 것은 아니다. 조직공학 기반 접근을 이용한 섬(islet) 이식은 임상적 의의를 가질 수 있으나, 3차원(3D) 구성체에서 섬의 기능을 증가시키는 방법을 찾는 것은 주요한 과제이다. 본 연구에서는 이식 가능한 3D 췌장 조직에서 토착 미세환경을 재현하기 위한 잠재적 후보로 췌장 조직 유래 세포외기질을 제안한다. 특히, pdECM 바이오잉크에서 배양했을 때 인슐린 분비와 인간 만능줄기세포 유래 인슐린 생성 세포의 성숙이 크게 상향 조절되었다. 또한 인간 제대정맥 유래 내피세포와의 공동배양은 3D 배양 조건에서 섬의 중심 괴사를 감소시켰다. 3D 세포 프린팅 기술을 융합함으로써, 환자 유도 만능줄기세포 유래 인슐린 생성 세포와 같은 동종(동일) 이식 가능 출처의 섬(allogeneic source of islets)으로 잠재력을 지닐 수 있는, 치료적으로 적용 가능한 이식 크기의 3D 구성체를 제작할 수 있음을 검증하였다.