점점 줄어드는 헌혈량…인공혈액, 인류에 '새로운 피' 수혈할까
사람의 목숨을 구하는 액체. 석유나 고급 와인보다 더 귀하다고 알려진 액체. 바로 '혈액'이다. 수술 현장, 응급 상황에서 전방위적으로 사용되는 혈액은 자주 부족 사태를 겪는다. 그러다보니 과학자들이 인공혈액을 개발하는 것은 자연스러운 일이다.
2024년 7월 1일 일본 나라현립의대 연구팀은 직접 개발한 인공혈액을 선보였다. 이들이 만든 '보랏빛' 인공혈액은 앞으로 사람들의 생명을 구할 수 있을까. 인공혈액 연구의 최전선을 둘러봤다.
● 일본서 개발한 인공혈액 보랏빛을 띠는 이유
2024년 7월 1일 일본 나라현립의대(이하 나라 의대) 연구팀의 기자간담회. 하얀 가운을 입은 세 명의 교수가 작은 유리병 사진이 담긴 판넬을 카메라 앞에 들어 보였다. 유리병 안에는 보랏빛 액체가 찰랑거렸다. 플라스틱 컵에 담겨 있었다면 자색고구마 라떼라고 착각했을 외형이다. 이 액체의 정체는 '인공혈액'이다.
인공혈액은 혈액의 일부 기능을 모방해 수혈에 사용할 수 있도록 만든 혈액 대체품이다. 혈액은 외상이나 수술로 인한 혈액 부족, 백혈병 등의 질병 치료 목적으로 중요하게 쓰인다. 하지만 헌혈량 감소, 전염병과 같은 이유로 혈액 수급이 불안정해 혈액이 부족한 경우가 생긴다. 수혈할 때 혈액형도 고려해야 하기 때문에 희귀 혈액형의 경우 항상 혈액 부족에 시달린다. 이럴 때 인공혈액이 도움을 줄 수 있다.
"저희가 만든 인공혈액이 보라색인 건 디옥 시헤모글로빈 때문입니다." 8월 2일 화상으로 만난 사카이 히로미 일본 나라의대 화학과 교수는 인공혈액의 독특한 색을 이같이 설명했다. 나라의대 연구팀이 개발한 인공혈액은 유통기한이 만료된 혈액에서 얻은 적혈구로 만들어졌다.
구체적으로는 적혈구 속 헤모글로빈이 주재료다. 디옥시헤모글로빈은 산소와 결합하지 않은 헤모글로빈을 말한다. 헤모글로빈은산소와 결합하면 붉은색을 그렇지 않으면 보라색을 띤다. 그래서 인공혈액이 보라색로보이는 것이다. 이 인공혈액 역시 산소와 결합하면 혈액과 비슷한 붉은색을 띤다.
혈액은 인체를 순환하며 다양한 일을 한다. 그중에서도 가장 중요한 건 온몸 구석구석 산소를 운반하는 일이다. 신체 기관들이잘 작동하려면 산소가 꼭 필요하기 때문이다. 산소 운반 기능은 혈액 내에서도 적혈구가 관여하고 특히 적혈구 안에 들어 있는 단백질인 헤모글로빈이 이 기능을 담당한다.
따라서 헤모글로빈을 이용하면 혈액처럼 산소를 운반하는 인공혈액을 만들 수 있다. 이러한 인공혈액을 헤모글로빈 기반 산소 운반체(HBOC·Hemoglobin-Based OxygenCarrier)라고 부른다.
● 기존 인공혈액의 문제점 캡슐로 극복하다
인공적으로 혈액을 만들려는 시도는 HBOC 이전부터 있었다. 1960년대 과학자들은 냉매로 사용되는 과불화탄소를 이용한 인공혈액, 과불화탄소 기반 산소 운반체(PFBOC·Perfluorocarbon-Based Oxygen Carrier)를 개발했다.
과불화탄소는 헤모글로빈처럼산소를 운반하는 특성이 있기 때문이다. 하지만 PFBOC는 체내에 없는 인공 화학물질이기 때문에 외부 물질로 인식한 인체 시스템에 의해 체외로 금방 제거되고 뇌졸중 등의 부작용이 발생하는 것으로 밝혀졌다.
이후 과불화탄소를 이용하는 PFBOC 대신 생체에서 유래한 헤모글로빈을 이용하는 HBOC가 등장했다. 대표적으로 미국의 바이오 기업 '바이오퓨어'가 1990년대에 개발한 '헤모퓨어'가 있다. 헤모퓨어는 소의 적혈구에서 추출한 헤모글로빈을 이용해 만들어졌다.
이 제품은 남아프리카공화국과 러시아에서 수술 전후 급성 빈혈 치료용으로 각각 2001년, 2010년 판매 승인을 받았다. 하지만 헤모퓨어를 비롯한 초기 HBOC도 작용은 있었다. HBOC가 혈관 내의 산화질소와 결합해 혈관을 수축시키는 부작용이 발견됐다. 이는 고혈압, 심근경색 등의 질병을 초래하는 것은 물론 심한 경우 사망에 이르게 하는 치명적인 부작용이었다.
2008년 미국 국립보건원 연구팀이 헤모퓨어를 포함한 5개의 HBOC를 분석한 결과 HBOC를 수혈한 환자가 실제 혈액을 수혈한 환자보다 사망할 확률이 30% 더 높게 나타났다. (doi: 10.1001/jama.299.19.jrv80007)
이러한 위험성을 근거로 미국 식품의약국(FDA)에서는 아직까지 HBOC의 사용을 승인하지 않고 있다. "헤모글로빈은 혈액 내에 가장 풍부한 단백질이지만 본래에는 적혈구 내부에 존재합니다. 따라서 헤모글로빈만 가져다 쓰면 인체에 위험하죠. 기존의 HBOC는 헤모글로빈 여러 개를 연결하거나 화학적으로 가공하는 게 전부였습니다. 헤모글로빈의 독성을 차단하기 위해서는 헤모글로빈을 캡슐에 넣어야 합니다."
사카이 교수는 설명했다. 나라의대 연구팀은 헤모글로빈을 리포솜 캡슐로 감쌌다. 리포솜은 인지질 이중층으로 이뤄진 공 모양 구조로 세포 내에서 물질을 효율적으로 운반할 수 있어 의약품에도 많이 쓰인다.
2020년 연구팀은 12명의 건강한 성인 남성을 대상으로 해당 HBOC에 대한 임상시험을 진행했다. 한 사람당 각각 100mL의 HBOC를 주입한 결과 일시적인 발열 외에 큰 변화는 없었다. (doi: 10.1182/bloodadvances.2022007977)
사카이 교수는 "아직 임상시험을 끝마친 게 아니므로 인공혈액 개발에 성공했다고 말하긴 이르다"며 "향후 3년간 효능과 안전성을 입증하기 위해 추가 임상시험을 진행할 계획"이라고 말했다. 다음 임상시험에서는 16명의 시험 참가자를 대상으로 100~400mL의 HBOC를 투여할 예정이다.
한편 미국 바이오 스타트업 '칼로사이트'도 미국 국방고등연구계획국(DARPA)의 지원을 받아 '에리스로머'라는 HBOC를 개발 중이다. 에리스로머는 나라의대 연구팀의 것과 비슷하게 헤모글로빈을 캡슐에 넣은 형태다. 칼로사이트 공동창업자이자 최고기술관리자(CTO)인 디판잔 판은 e메일 인터뷰에서 "생물 시스템과 유사하게 인지질 기반 껍질을 이용해 에리스로머의 안정성을 높였다"고 전했다.
에리스로머는 이전의 HBOC가 가진 산소운반 불량 문제도 해결했다. 혈액은 산소가 많은 폐에서는 산소와 결합하고 산소가 적은조직에서는 가지고 있던 산소를 방출한다. 판CTO는 "이전의 HBOC는 기능적인 산소 운반 시스템이 없어 의도한 조직에 산소를 운반하는 데 실패했다"며 "(에리스로머는) 주변의 산소 농도에 따라 조직에 산소를 효율적으로 공급할 수 있다"고 설명했다.
게다가 에리스로머는 동결 건조해 가루 형태로 보관할 수 있다. 실온에서 보관하다가 필요할 때 식염수에 풀어 사용하면 된다. 판 CTO는 "동물실험에서 에리스로머가 정상적으로 기능하는 것으로 보아 이전의 HBOC가 지닌 문제를 극복한 것으로 보인다"며 "조만간 첫 임상시험을 진행할 계획"이라고 밝혔다.
● 부작용 적은 인공혈액, 줄기세포로 만든다
HBOC는 캡슐을 통해 안전성을 높였지만 여전히 안심하긴 이르다. 인공혈액을 연구 중인 이승엽 전북대 의대 교수는 "HBOC는 계속 투여하면 부작용이 생길 가능성이 높다"며 "우리 몸은 현재의 혈액세포에 맞게 진화해왔기 때문에 외부 물질이 체내에서 어떤 작용을 일으킬지 정확히 모른다"고 설명했다.
그래서 등장한 다른 방법이 줄기세포로 만든 인공혈액이다. 줄기세포는 다양한 형태의 세포로 변화할 수 있는 분화 전의 세포다. 줄기세포를 이용하면 적혈구, 백혈구, 혈소판과 같은 혈액세포도 만들 수 있다. 배양한 줄기세포를 적혈구로 분화시켜 혈액으로 사용한다는 논리다.
이 교수는 "자연 혈액세포를 그대로 재현했기 때문에 현재로서는 부작용이 가장 적은 방법이라고 생각된다"고 전했다.
2022년 영국 국민건강보험 혈액장기이식센터(NHSBT)는 세계 최초로 영국 브리스톨대, 케임브리지대 등과 함께 줄기세포로 만든 적혈구의 임상시험을 진행했다. 해당 연구팀은 기증받은 혈액에서 줄기세포를 골라낸 뒤 실험실에서 18~21일간 배양해 적혈구를 얻었다.
처음에 줄기세포는 약 50만 개였으나 배양한 뒤 500억 개의 적혈구로 늘어났다. 그중 150억 개를 선별해 최종적으로 건강한 사람 2명에게 5~10mL의 적혈구를 이식했다. NHBST 측은 "이것이 실험실에서 배양된 것일 뿐 체내에서 성장한 정상 세포와 동일하다"고 강조했다.
그러나 줄기세포 배양 방식으로는 아직 아주 적은 양의 적혈구밖에 생산하지 못한다는 한계가 있다. 이 교수는 "체내에서는 호르몬, 단백질, 영양 성분 등이 상호작용하며 혈액세포의 성숙 과정을 돕는 반면 체외에서는 인공적으로 체내 환경을 모사해야 하기 때문에 혈액세포를 완벽하게 배양하기 매우 어렵다"며 "이는 줄기세포와 관련된 기술에서 극복해야 할 주요 과제 중 하나"라고 설명했다.
● 한국도 2023년 개발 뛰어들어 유도만능줄기세포에 주목
한국 정부는 2023년 4월부터 세포기반 인공 혈액기술개발사업단(이하 사업단)을 출범해 본격적으로 줄기세포를 활용한 인공혈액 개발을 지원하고 나섰다.
7월 22일 사업단 회의실에서 만난 김현옥 사업단장은 "사업단이 기획된 가장 큰 계기는 2020년 코로나19 발생으로 헌혈량이 상당히 감소한 것"이라며 "당시 보건복지부에서 다른 나라의 혈액 수급 상황을 조사하던 중 영국, 일본, 미국 등에서 이미 인공혈액 연구에 투자하는 것을 인지하게 됐고 우리나라도 인공혈액 생산 기술을 보유한 국가로 도약하기 위해 본 사업단이 추진됐다"고 전했다.
사업단은 줄기세포 중에서도 유도만능줄기세포(iPSC)를 눈여겨보고 있다. iPSC는 체세포를 역분화시켜 다시 줄기세포처럼 모든 세포로 분화할 수 있는 능력을 가지도록 유도한 세포다. 김 단장은 "iPSC의 가장 큰 장점은 인공혈액을 생산하기 위한 무제한적인 공급원이 될 수 있다는 점"이라며 "전 세계적으로 iPSC를 이용한 인공혈액 개발이 늘어나는 추세"라고 말했다.
모든 체세포에서 iPSC를 만들 수 있지만 인공혈액을 만들 때는 혈액에서 추출한 체세포를 사용한다. 이 교수는 "iPSC는 과거의 특성을 기억하는 경향성이 있어 혈액세포를 이용하는 것이 효율적이기 때문"이라고 설명했다.
또한 "혈액은 초기 단계에 소량만 필요하다"며 "줄기세포는 자가증식을 계속하기 때문에 한 번 iPSC를 만들어 놓으면 추가적인 혈액이 필요하지 않다"고 덧붙였다.
● "저출산 고령화 시대에 꼭 필요한 미래 기술"
그렇다면 전 세계가 앞다퉈 인공혈액을 개발하려는 이유는 무엇일까. 핵심은 위에서 언급한 것처럼 코로나19와 같이 혈액이 부족한 긴급 상황에 대비하기 위해서다.코로나19 당시 사회적 거리 두기 등의 영향으로 헌혈량은 급격하게 줄었다. 2020년 12월 정부는 급기야 '국내 혈액 보유량이 주의 단계에 진입했다'라는 내용의 긴급재난문자를 보냈다.
대한적십자사의 적정 혈액 보유량은 5일분인데 당시 혈액 보유량이 2.7일분까지 떨어졌기 때문이다. 미국 국방부 산하의 DARPA가 인공혈액 개발에 투자하는 이유도 이와 유사하다. 위험한 전장에서는 부상 당할 일이 많고 이로 인한 혈액 수요를 헌혈을 통해 모두 감당하기는 매우 어렵다.
그에 비하면 HBOC는 실온 보관이 가능하고 실제 혈액에 비해 보관기간이 길어 대량으로 저장할 수 있다. 게다가 인공혈액은 혈액형에 상관없이 투여할 수 있기 때문에 응급상황에서의 수혈이 용이하다.
꼭 전염병이나 전쟁이 아니더라도 헌혈량은 본래 일정하지가 않기 때문에 이에 전적으로 의지하기 어렵다. 한송이 한마음혈액원 혈액기획국 차장은 "여름철에는 외출 감소, 해외 여행 등으로 헌혈자가 줄어드는데 반대로 수술은 여름방학 기간에 늘어나는 경향이 있어 혈액 수급이 불안정하다"고 말했다. 그는 "인공혈액이 개발된다면 혈액을 필요로 하는 환자들은 물론 혈액 수급에 어려움을 겪는 의료진들에게 큰 도움이 될 것이라고 생각한다"고 전했다.
한국, 일본 같은 저출산 고령화 국가는 혈액부족 문제가 더욱 심각하다. 저출산으로 인해 헌혈량은 지속적으로 감소하지만 고령화로 혈액 수요는 증가하기 때문이다. 김 단장은 "혈액이 점차 부족해지는 상황에서 인공혈액은 꼭 필요한 미래 대응 기술"이라고 강조했다.
● 인공혈액 상용화의 꿈 한국이 앞장설까
인공혈액 개발을 넘어 상용화까지 가기 위해 해결해야 할 과제가 두 가지 있다. 첫 번째는 가격이다. 현재 한국에서 혈액 한 팩을 수혈받는 데 드는 비용은 2만 원 정도다. 국민이 자발적으로 기부한 혈액 값 외에 주사기 등 최소한의 부대 비용만 고려해 가격이 매겨지기 때문에 비교적 저렴한 편이다.
인공혈액이 실제 혈액보다 수십 배 이상 비싸다면 환자 입장에서 부담을 느낄 수밖에 없다. 김 단장은 "인공혈액을 대량 생산하면 단가가 떨어질 것"이라며 "현재 사업단은 GMP(우수의약품생산기준)에 맞는 생산 기술을 확보하는 것이 목표"라고 전했다.
두 번째는 임상시험 제도 마련이다. 특히나 줄기세포 기반 인공혈액은 전 세계적으로 새롭게 생산되는 바이오의약품인 만큼 아직 임상 적용에 대해 필요한 가이드라인이 수립되지 않은 상황이다. iPSC를 이용해 혈소판을 개발하는 듀셀바이오 테라퓨틱스의 김치화 전무는 "우리나라도 식품의약품안전처와 본격적인 논의를 거쳐 연구비 지원뿐만 아니라 임상시험의 가이드라인을 마련하는 등 정부차원의 적극적인 지원이 필요하다"고 말했다.
사업단은 2023년부터 2027년까지 임상 연구에 적용할 수 있는 인공혈액을 생산하는 1단계 프로젝트를 진행할 예정이다. 이후 두 단계를 추가로 거쳐 최종적으로는 인공혈액을 생산, 제조하는 기술을 확보해 2037년 내로 실용화하는 것이 목표다.
총 15년에 걸친 장기적인 프로젝트지만 국가가 포기하지 않고 계속해서 인공혈액 개발에 투자해야 한다는 게 김단장의 전언이다. 김 단장은 "국민 누구에게나 안전한 혈액을 안정적으로 공급하는 것은 국가의 책임이자 복지"라며 "다른 나라에 기대지 않고 우리만의 인공혈액 기술을 개발해 국민들이 인공혈액을 쓸 수 있는 기회를 줘야 한다"며 인터뷰를 마무리했다.
"지금의 기술로 일본, 미국은 물론 한국도 실험실에서 줄기세포를 이용해 극소량의 인공혈액을 만들 수 있습니다. 하지만 최종적으로는 대량 생산을 해야 합니다. 그 목표를 이루는 길에 한국이 앞장서길 꿈꿉니다."
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[김진화 기자 evolution@donga.com]
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