서     론 

   조직공학(tissue engineering)이란 살아있는 세포를 이용 인체나 동물조직의 구조나 기능을 회복시키는 학문을 말한다.¹⁾ 구체적인 적용으로 직접 세포만을 주입하거나, 세포를 지지체(scaffold)와 혼합 후 이식하거나, 지지체만을 주입하여 주위의 세포들로 하여금 조직의 회복을 가능하게 하는 방법이 있다. 조직공학의 기본개념은 사람이나 동물에서 세포를 분리 증폭시킨 후 세포와 지지체를 혼합하여 재이식하는 과정이다. 이비인후과 영역에서의 적용은 몇 가지 종류의 지지체와 함께 연골세포와 골아세포를 주로 사용한다. 조직공학은 단순해 보이지만 임상적 적용을 위해 해결해야 할 몇 가지 중요한 문제점이 있다.

생물학적 측면

   세포의 기원에 따라 조직 공학적 적용에 중요한 영향을 준다. 세포의 기원에 따라 자가세포(autologous cells), 동종세포(allogenic cells), 이종세포(xenogenic cells)로 나뉘며 동종세포와 이종세포의 경우 면역거부반응이 생긴다.²⁾ 자가세포가 가장 이상적으로 생각되나 여러 가지 문제점이 있다. 첫째로 성숙된 조직으로부터 세포를 얻는다면 환자의 공여부 이환율(doner-site morbidity)이 높아지며 기관지(trachea)와 같이 공여부의 크기나 접근성이 제한적일 경우 더욱 문제가 된다. 따라서 접근성이 좋고 구조적으로 중요하지 않은 공여부를 사용하는 것이 좋다. Kojima 등³⁾은 양의 비중격 또는 기관지 조직으로부터 얻은 연골세포로 원래의 기관지와 유사한 새로운 후두연골을 만들었다. 둘째는 세포수에 관한 문제인데 분리된 세포를 이식하기에 충분한 수로 증폭시켜야 하며 그 과정에서 세포 표현형(phenotype)이 변하지 말아야 한다. 연골세포는 정상 성장배지에서 단층배양 시 일정 기간이 지나면 표현형이 섬유모세포(fibroblast)와 같이 변하는 성질(dedifferentiation)이 있다.⁴⁾ Martin 등⁵⁾은 연골세포 단층배양 시 FGF-2(fibroblast growth factor-2)를 첨가하면 이러한 현상이 줄어 정상적인 연골조직을 만들었다고 한다. 
   최근 들어 중간엽 줄기세포(mesenchymal stem cells, MSCs)가 또 하나의 대안으로 부각되고 있다. 골과 연골을 이용하는 조직공학분야에서 중간엽 줄기세포의 사용은 몇 가지 장점이 있다. 첫째로 자가 중간엽 줄기세포는 골수로부터 얻는데 연골이나 골에서 얻는 것보다 쉽고 공여부 이환율도 낮다. 또한 중간엽 줄기세포는 골, 연골, 지방, 근육, 기질세포 등으로 다양하게 분화할 수 있으며⁶⁾ 이러한 능력으로 연골세포와 골아세포가 공학적 연골조직 또는 골조직으로 변화될 수 있다. 

공학적 측면

   공학적 측면에서 가장 중요한 문제점이 적절한 지지체의 선택과 기능적으로 재생된 조직의 생산이다. 가장 이상적인 지지체는 일정시간이 지나면 분해되거나 주위조직에 흡수되어야 한다. 수많은 천연 및 합성물질로 이루어진 지지체들이 조직공학적 연골 및 골 생산에 이용되고 있다. 이러한 골과 연골의 적용에 있어서 조직공학적 조직이 본래의 기계적 기능(mechanical function)을 갖는 것이 중요하다. 실제로 실험실적으로 만들어지는 연골조직의 압축계수(compressive modulus)는 원래 연골에 비해 차이가 크며⁷⁾ 이 차이는 세포의 기원, 배양조건뿐만 아니라 초기 지지체의 경직성(stiffness) 또는 분해성(degradability)에 의존한다. 적용에 있어서 기계적 성상은 매우 중요한데 예를 들면 이개 연골은 다량의 탄성연골을 함유하며 연골막(perichondrium)에 둘러싸여 부러지지 않으면서 굽어지는 성질을 갖게 된다. 따라서 이러한 복잡성을 해결하기 위해 세포포자(cell seeding)와 배양조건을 조절하기 위해 교반(spinner) 플라스크와 같은 생물조절기를 이용하여 지지체의 섬유망으로의 포자효율을 높여 준다.⁸⁾ 

임상적 측면

   조직공학은 이비인후과 영역에서는 신흥기술이다. 수많은 구조적 결손들이 신경이과학, 안면성형학, 후두학, 두경부종양등의 다양한 분야에서 생겨 치유되며, 이 분야들이 향후 다양한 조직공학적 이식물이 사용될 부분이기도 하다. 하지만 그때까지는 자가조직이 가장 좋은 이식물이며 자가조직은 공급이나, 공여부 이환율 등의 문제점이 있다. 조직 공학적 조직은 생활동적(bioactive)이고, 융합(biointegrating)이 잘 되며, 기능적(biofunctional)으로도 좋은 조직을 제한 없이 공급할 수 있으며 최소의 비용과, 준비기간, 적은 이환율 등의 장점이 있다.

조직공학에서의 지지체

지지체의 기능과 성질
   지지체의 기능은 첫째로 세포가 부착되는 3차원 구조를 유지하여야 하며, 둘째로 세포에 의한 세포 외 기질의 생산을 유도해야 하며, 셋째로 조직으로 발전하기 전에 그 자체를 지지할 기계적 장력이 있어야 하며, 넷째로 경우에 따라 활성화된 분자를 전달하는 기능이 있어야 한다. 이외에도 생물적합성(biocompatibility), 분해성(degradability), 다공성(porosity), 수분함유, 전달(transport), 세포유착(cell adhesion) 등의 성질을 고려해 지지체를 디자인해야 한다. 생물분해성은 물리적, 기능적으로 지지체가 흡수되며 새로운 조직으로 대치되는 것을 말한다. 분해된 산물은 대사되거나 확산되어 몸 밖으로 빠져나가며 새롭게 생긴 조직만 남게 된다. 이때 지지체가 분해되는 속도와 새로운 조직이 생기는 속도를 맞춰주어야 한다. 분해가 너무 빠르면 새로운 조직이 형태를 가질 수 없고,⁹⁾ 분해가 너무 느리면 새로 생성되는 기질의 확산을 방해한다.¹⁰⁾ 생물적합성은 지지체의 조건 중 중요한 성질인데 이식물 또는 그 부산물이 생체 내에서 면역학적 염증반응을 일으키지 말아야 한다. 다공성은 지지체에 있어서 영양분과 부산물이 안팎의 소통을 통해 세포의 생활력(viability)을 유지하기 위해 충분한 크기와 수를 유지해야 한다. 수분함량과 세포유착은 세포의 원래 환경을 만들기 위해 필요하다. 예를 들면 연골세포는 원래의 조직에서 다량의 수분에 노출되었으며 원형모양을 유지하여야 좋은 조직이 만들어진다. 반대로 골아세포는 저 수분함량을 선호하여 지지체의 표면에 붙어서 좋은 조직이 만들어진다. 성장인자(growth factor) 같은 생활성 물질들은 세포이동, 증식, 기질합성을 증진시키며 지지체는 일정기간 동한 이러한 물질들을 전달하는 기능이 있어야 한다. 이러한 지지체들의 특성을 고려하여 지지체를 크게 미리 제조된 조립식(prefabricated) 다공성(porous) 지지체와 제자리 발생(in situ-forming) 지지체로 나뉜다. 

조립식 지지체(Prefabricated scaffolds)
   흔히 사용되는 조립식 다공성 지지체에는 PGA(polyglycolic acid),¹¹⁾ PLA(polylactic acid),¹²⁾ PLGA(polylactic-co-glycolic acid)¹³⁾가 있다(Table 1). 이러한 혼합물들은 녹는 봉합사 등의 재료로 이전부터 의료용으로 많이 사용되어 왔고 물질의 성질을 쉽게 조절할 수 있어 지지체로의 가공이 수월하다. 유기물의 조성과 공정방법을 조절하여 분해와 다공성, 친수성, 세포부착 등을 조절할 수 있으며 대량생산이 가능하다.¹⁴⁾ 지지체의 구멍크기와 다공성은 의도하는 적용에 따라 주의 깊게 정해야 하는데 전형적으로 조직공학에서 사용되는 지지체는 70~95%의 다공성과 수십에서 수백 마이크론의 구멍크기를 지녀야 한다. 조립식 지지체의 흔한 임상적 적용의 예가 조직공학적 골조직을 골결손에 이식하는 것이다.¹⁵⁾ 이러한 다공성 지지체는 피떡생성(clot formation)과 골조상세포(osteoprogenitor cell)의 지지체로의 이동을 원활하게 하며, 개방된 구멍구조는 증식과 기질축척을 증진시켜준다. 많은 지지체들은 지지체가 완전히 분해되어 새로운 조직으로 대치될 때까지 경직성(stiffness)이 충분히 있어야 한다.

제자리발생(In situ-forming) 지지체
   많은 종류의 제자리에서 발생하는 생체적합물질이 있지만 조직재생을 위한 세포매개에 사용되는 수화겔(hydrogel) 지지체에 관해서만 논하고자 한다. 수화겔 지지체는 교차결합구조(cross linking mechanism)에 따라 물리적(physical), 이온적(ionic), 공유적(covalently) 결합의 3가지 형태로 나뉜다. 섬유소 풀(Fibrin glue)¹⁶⁾은 일련의 이온과 수소결합을 통한 겔로 흔하게 사용된다. 알지네이트(alginate)¹⁷⁾와 하이알루로닌산(hyaluronic acid)¹⁸⁾은 다가양이온(multivalent cations)의 이온결합을 이용한 겔로 널리 이용된다. 이러한 천연발생물질들은 생적합성(biocompatibility)에 관련된 문제를 피할 수 있고 세포들과 선천적으로 친밀하다. 그 외에도 이러한 겔들은 다가이온에서 단가이온으로 변하면서 연화되어 물에 융해가 가능하게 된다. 최근에는 황산 콘드로이틴(chondroitin sulfate)¹⁹⁾과 키토산(chitosan)²⁰⁾이 천연 지지체로 연구되고 있다. 물리적으로 교차 결합된(cross-link) 겔에는 온도와 PH 변화에 의해 변하는 콜라겐^21,22)과 소수성 작용에 의해 변하는 Pluronic²³⁾등이 있다. 이러한 지지체들은 수술부위에 액체형태로 생리상태하에서 주사할 수 있으며 주사 후 젤라틴 형태로 변화시킬 수 있고,²⁴⁾ 특별한 모양이 필요하다면 미리 형태를 만들어 이식할 수도 있다.²⁵⁾ 이러한 수화겔들의 성질은 교차결합의 밀도에 따라 직접적으로 연관된다. 고 교차결합밀도는 작은 그물망을 초래하여 수분량의 제한과 거대분자의 확산을 제한한다. 수화겔들은 일반적으로 고 수분함량(50~99%)과 영양분이나 대사산물이 충분히 확산될 수 있는 분자기준의 다공성을 가지고 있다. 결과적으로 이러한 지지체들은 젤라틴이 되기 전에 세포와 혼합되므로 균등한 세포의 분포를 갖는다. 수화겔의 기계적 성상은 교차결합의 밀도와 교차결합방법에 의해 조절된다. 고 교차결합밀도는 더욱 경직되나 대부분의 물리적 또는 이온적으로 교차 결합된 겔은 상대적으로 약하다. 연골세포의 경우 자연적으로 증식되거나 이동하지 않으며 원형의 모양을 유지하려고 한다. 수화겔은 친수성이 있어 단백질 흡수나 세포유착을 막고 연골세포가 원형모양을 유지하며 세포외기질의 생산을 증진시킨다. 더욱이 작은 그물망은 연골세포의 이동을 방지하고 새로운 연골세포의 생성과 동시에 수화겔을 분해된다. 

이비인후과 영역에서의 조직공학조직의 적용과 미래전망

이개 재건(Auricular reconstruction)
   선천적 이개 기형 또는 외상 후 이개 결손의 재건은 이식된 조직이 오랫동안 모양을 유지하고 탄성연골의 성질을 지녀야 한다. 현재는 늑연골이 작은귀증(microtia)의 재건에 사용되며 2단계에서 5단계에 걸쳐 수개월 내지 수년간 수차례의 수술을 시행하여 상당한 시간과 노력이 요구된다.^26,27) 비록 이개 재건에서의 조직공학적 조직의 이식이 사람에서 시행되지는 않았지만 많은 동물시험이 진행되어왔다. PGA/PLA 지지체에 연골세포를 혼합하여 조직공학적 복합체를 누드마우스에 이식하여 10개월 후 질적으로나 구조적으로 우수한 결과를 보였고,²⁸⁾ 같은 이식물을 토끼에 이식하였을 때 남아있는 PGA/PLA에 대한 면역학적 거부반응을 일으켰다. Pluronic F-127은 polyethylene oxide와 polypropylene oxide로 구성된 생 적합한(biocompatible) 혼성중합체(copolymer) 수화겔(hydrogel)로서 자가 연골세포를 혼합 후 영양분 공급이 가능한 수천 개의 천공이 함유된 금으로 만들어진 이개 모양의 틀에 이개 형태로 만들어 돼지와 양에 이식하여 면역학적 거부반응이 없는 강한 연골조직이 만들어졌다.²⁹⁾ 사람으로의 이식을 위해 이식물의 거부반응과 구조적 충실성 문제점을 확실히 해결해야 한다. 사람에게 적용한다면 최소한의 비침습적인 방법으로 자가연골세포를 분리하여(비중격연골 또는 이개연골) 실험실에서 배양 및 증폭시켜 증가된 연골세포를 비면역적 수화겔로 이루어진 지지체에 혼합하여 사용한다. 이상적으로 공학적 이식물은 탄성연골(elastic cartilage)로 구성되고 새로 생긴 이개연골(neoauricle)은 반대편 귀와 생체역학상 같아야 한다. 최근 연구에 의하면 실험실상에서 탄성연골을 만들 수 있다.³⁰⁾ 한편 조직공학적 이식물을 이식하기 위해 이식 후의 피부긴장을 극복할 수 있어야 한다. 

코 및 비중격 재건
   코의 재건을 위해 전두피판, 피부이식, 이개복합조직이식등의 국소피판과 이식을 사용한다. 한편 비 내부의 구축(contracture)을 방지하기 위해 다양한 피판술이 비 내부 재건을 위해 사용되며 심한 경우 두개골막피판, 유리피판술을 사용한다.³¹⁾ 코 내부의 골 또는 연골의 결손이 있을 때는 자가이개연골 또는 늑골연골, 두개골이 연부조직피판의 좋은 지지체가 된다. 생이식물(Bioimplant), 이물이식물(alloplast) 등이 자가이식물의 대안으로 사용된다. 또한 의학적 보장구 등이 상처가 좋지 않은 부위에 사용되기도 한다. 미래의 조직공학적 이식물은 실험실에서 연골세포를 증폭시켜 생체 내에서 자연적으로 소멸되는 수화겔과 혼합하여 만들어질 것이다. 피부, 골조직과 혈관조직이 함께 포함된 조직공학적 복합조직의 생산은 두꺼운 배양조직, 혈관공급, 구조적인 문제점들로 인해 수십 년 후에나 개발되리라고 본다. 실험실에서의 연골세포의 증폭만 가능하다면 조직공학적 연골의 생산은 곧 이루어질 것이다. 최근 알지네이트를 이용한 비중격 연골세포의 단층배양을 통한 증폭이 가능하게 되었고 세포에 의한 당아미노글라이칸(glycosaminoglycan)의 생산이 증가하였으나 14일 이내의 총 세포수는 많이 증가하지 않았다.³²⁾
   저자의 실험에서는 사람의 비중격에서 연골세포를 분리후 7~9일간 단층 배양후 알지네이트 지지체에 혼합하여 흔히 사용되는 생이식물(bioimplant)인 porus high-density polyethylene(PHDPE)와 expanded polytetrafluoroethylene(e-PTFE)의 표면에 코팅한 후 누드마우스의 등에 이식하였으며 10주와 20주에 95%에서 원래의 연골조직과 유사한 생이식물에 둘러싸인 조직공학적 연골조직을 얻었다(Fig. 1). 

후두와 기관지
   후두기관지조직의 재건은 발성과 호흡기능은 동시에 수행하므로 이를 충족시키기 위한 조직공학적 적용은 매우 어렵다. 현재 후두 일부의 제거 후 국소 근육피판을 이용한 재건을 통해 발성기능을 증진시키고 흡인(aspiration)을 줄이고 있다. 
   한편 자가조직(지방)이나 동종이식(cymetra, gelfoam) 또는 영구적 이식물(silicone, titanium, Teflon) 등을 이용 제1형 갑상성형수술(medialization thyroplasty)을 시행하고 있다. 히알루론산(hyaluronic acid)은 최근 안면성형 시 주입용으로 FDA의 승인을 받았으며 제1형 갑상성형수술의 동물실험에서도 좋은 결과를 보여 곧 사람에서도 사용되리라 본다. 성문하 또는 기관지 협착 시 기관지 절개술, 윤상연골 분리수술, 후두기관지 재건, 기관지절제술 등의 수술을 시행하고 있다. 후두기관지의 재건은 자가연골을 채취하여 이식하는데 늑골연골을 이용하고 이개 연골이나 갑상연골을 이용하기도 한다.³³⁾ 늑골연골의 이용은 많은 양질의 연골을 얻을 수 있으나 기흉, 감염, 반흔 등의 문제점이 있다. 후두와 기관지의 조직공학적 적용은 술 전 실험실에서의 연골세포의 증폭과 연골세포가 포함된 이식물의 이식을 통해 수술비용과 공여부 이환율을 줄일 수 있다. Kojima 등³⁴⁾은 양의 비중격 연골세포와 상피세포를 이용하여 후두 동물모델을 만들었다. 본 실험에서 연골세포가 뿌려진 PGA 그물망 천을 튜브 모양의 실리콘에 둘러싸고 누드마우스의 등에 이식한 후 6주 후 실리콘 튜브를 제거하여 내면에 상피세포를 주입하였다. 4주 후의 결과는 조직학적으로 거짓중추섬모상피가 배열된 본래 양의 기관지와 같은 성숙된 연골을 얻었다. 본 연구결과에서 25 mm² 크기의 비중격에서 분리한 연골세포를 3주간 폭이 7 mm 길이가 30 mm인 기관지로 만들 수 있었다. 

안면골격
   안면골격에서의 골 결손의 치료는 골조직의 채취와 이식에 상당한 시간과 노력이 필요하며 공여부 이환율 또한 높다. 사람에서 아래턱 골막으로부터의 골기질(bone matrix)을 이용하여 상악골의 재건에 조직공학적 골이식이 사용되어 왔다. 18명 중 10명의 환자에서 이식 후 3개월에 골 생성이 이루어졌다.³⁵⁾ 새로운 조직공학적 골이식 재료인 VivescOs가 최근 재수술, 척추수술, 치아 임프란트에 사용되고 있다. 이 골재료는 하악골 또는 요추골로부터 골수를 채취하여 실험실에서 증폭시킨 세포를 지지체에 적당한 모양으로 혼합하는 방법으로 만든다. 환자 이식을 위한 최종 이식물은 4주 만에 만들어진다.³⁶⁾ 최근에 하악골을 만들기 위해 골무기질블록, 흡인된 자가골수, 골 형성 단백질을 티타늄 그물망 탁반에 혼합 후 수술적으로 환자의 근육에 이식한다. 7주 후에 새로 생긴 하악골을 진행된 구강 암 수술후의 재건에 사용한다.³⁷⁾ 

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