줄기세포 3D 배양 난제, 우주에서 푼다…"비용 문제 넘어야"

국제우주정거장(ISS). NASA 제공

지구에서 수십 년간 풀지 못한 줄기세포 3차원(3D) 배양 문제를 우주 환경이 해결할 가능성이 제기됐다.

토비아스 니더비저 미국 볼더콜로라도대 연구원은 27일 KAIST 우주연구원이 개최한 'KAIST 스페이스 바이오 워크숍'에서 국제우주정거장(ISS)에서 수행한 줄기세포 배양 실험을 소개했다. 약 2주 전 ISS에서 지구로 귀환한 실험 결과물을 분석 중이라고 밝혔다.

줄기세포는 뼈·근육·혈액 등 다양한 세포로 분화할 수 있는 세포다. 백혈병이나 림프종 같은 혈액암 환자에게 이식하면 손상된 조혈 기능을 회복시킬 수 있어 치료에 활용된다. 문제는 공급이다. 지구에서는 줄기세포를 대량으로 증식하기 어려워 치료 수요를 충족할 만큼 안정적으로 공급하기 어렵다.

실험실에서 세포를 배양할 때 지구 환경에서는 중력 때문에 세포가 용기 바닥으로 가라앉는다. 납작하게 펼쳐진 2차원 평면에서만 세포가 자란다. 세포는 체내에서 3차원 입체 구조로 존재하므로 평면 배양 세포는 실제 체내 환경과 달라 치료 효과도 제한적이다. 지지체를 이용해 세포를 입체적으로 키우는 방법도 있으나 지지체가 세포에 물리적 자극을 가해 세포 고유의 성질을 변화시키는 문제가 생긴다.

우주에서는 문제가 자연스럽게 해결된다. 미세중력 환경에서는 세포가 바닥으로 가라앉지 않고 부유하므로 별도 지지체 없이도 세포끼리 뭉쳐 입체 구조를 형성한다. 형성된 입체 세포 덩어리는 실제 인체 조직 환경에 훨씬 가깝다.

2022년 국제학술지 '줄기세포 리포트'에 발표된 연구에서는 심장 전구세포를 ISS에서 3주간 배양했을 때 지구 배양 세포보다 세포 수가 약 20배 증가했다는 결과가 보고됐다.

토비아스 니더비저 미국 콜로라도대 볼더 연구원. 한국과학기술원인공위성연구소 유튜브 화면 캡처

니더비저 연구원 팀은 2017년 초기 실험에서 줄기세포가 우주 환경에서 더 활발하게 증식한다는 사실을 처음 확인했다. 이후 상업적 생산 체계 구축으로 연구를 확장했고 지난해 8월 ISS에 자동화 배양 장비를 탑재했다. 우주비행사가 직접 개입하지 않아도 배양액을 자동으로 교체하며 세포를 키우는 장비다. 이번 워크숍에서 공개한 내용이 해당 실험의 결과물이다.

연구팀이 활용한 줄기세포는 '유도만능줄기세포(iPSC)'다. 피부세포처럼 이미 분화된 세포를 다시 줄기세포 상태로 되돌린 것으로 야마나카 신야 교수가 2006년 개발해 노벨상을 받은 기술이다. 배아를 파괴해야 하는 배아줄기세포와 달리 윤리 문제가 없고 환자 본인의 세포로 만들 수 있어 이식 후 거부 반응도 줄일 수 있다.

니더비저 연구원은 우주에서 생산한 치료용 줄기세포를 지구로 가져오는 것이 최종 목표라고 밝혔다. "단백질 결정이나 반도체 소재 등도 미세중력인 우주에서 지구보다 균일하게 만들어진다"며 "다만 비용 문제가 상업화의 핵심 과제로 남아 있다"고 덧붙였다.

[임정우 기자 jjwl@donga.com]