동면하는 햄스터가 우주비행사에게 도움이 될 수 있다

동면하는 햄스터가 우주비행사의 장기 임무 수행을 도울 수 있다

전 세계의 작은 냉장실과 페트리 접시 안에서, 연구자들은 왜 일부 동물들이 몇 달 동안 생물학적 기능의 상당 부분을 중단했다가 온전한 상태로 돌아올 수 있는지 조용히 테스트하고 있습니다. 이러한 능력을 줄여서 휴면(torpor) 또는 동면(hibernation)이라고 부르는데, 이번 주 시리아 햄스터와 다른 동면 동물들을 연구하는 한 팀은 긴 추위 속에서도 근육 회복 세포를 보존하는 세포 기작을 보고했습니다. 연구자들은 동면하는 햄스터가 근육 소실을 줄이고 대사 요구량을 낮추며 방사선과 같은 스트레스에 대한 내성을 높이는 약물 표적이나 보호 분자를 제시함으로써 우주비행사들을 도울 수 있다고 말합니다. 이는 모두 지구 저궤도를 벗어난 수개월 간의 여행을 위협하는 문제들입니다.

동면하는 햄스터가 우주비행사의 세포에 도움을 주는 방법

근위축은 장기간의 미세중력과 부동 상태로 인해 발생하는 가장 즉각적인 위험 중 하나입니다. 정상적인 인간의 생리학에서 근육 줄기세포(종종 위성 세포라고 불림)는 활성화되어 조직을 수리하고 재건하지만, 에너지가 소모되고 스트레스 상황에서 취약해진다는 단점이 있습니다. 최근 The FASEB Journal에 발표되고 Popular Science가 보도한 연구에 따르면, 동면 종의 경우 이러한 근육 줄기세포가 긴 휴면 기간 동안 죽지 않고, 대신 생존력을 보존하는 저활동의 가역적 상태로 들어가는 것으로 나타났습니다.

이러한 세포의 일시 정지는 단순히 에너지에 관한 문제만이 아닙니다. 이는 저산소증, 방사선 피폭, 또는 반복적인 사용과 미사용의 주기에 수반되는 일련의 생화학적 손상으로부터 보호해 줍니다. 인간의 근육 전구 세포를 안전하고 가역적인 공회전 상태로 전환하는 방법을 배우는 것은 인공 휴면을 사람에게 적용하기 위한 핵심 목표입니다.

동면하는 햄스터가 근육과 미토콘드리아 보호에 도움이 되는 이유

다른 동면 동물들로부터 보완적인 증거들이 나오고 있습니다. 다람쥐와 곰은 겨울에 조정된 유전적 및 대사적 변화를 보입니다. 단백질 합성과 관련된 경로와 mTOR 신호 다이얼은 굶주린 비동면 동물과는 다르게 작동하며, 일부 동면 동물은 아마도 장내 미생물의 도움을 받아 휴면 중에 질소와 대사산물을 재활용합니다. 이러한 메커니즘은 동물들이 먹이도 없고 움직임도 없는 수개월 동안 어떻게 근육 조직과 장기 기능을 유지할 수 있는지를 설명해 줍니다. 이는 엔지니어와 의료진이 장기 항해나 응급 의학을 위해 재현하고자 하는 바로 그 결과입니다.

휴면, 휴면 스위치, 그리고 동물 연구 결과의 인체 적용

휴면은 일반적인 잠이 아닙니다. 그것은 체온, 심박수, 대사율을 통제하며 낮추는 상태입니다. 연구자들은 두 가지 측면에서 진전을 이루었습니다. 하나는 약리학적인 것으로, 특정 동물의 아데노신 수용체를 활성화하면 휴면과 유사한 상태를 유도할 수 있습니다. Kelly Drew와 다른 연구팀은 아데노신을 모방한 약물이 계절성 동면 동물에게서 깊은 휴면을 유도한다는 사실을 발견했으며, 관련 화합물은 다른 중재 조치와 결합될 경우 실험실 환경에서 비동면 동물을 저대사 상태로 유도할 수 있습니다.

인간 대상 시험은 초기 단계지만 유익한 정보를 제공하고 있습니다. University of Pittsburgh의 팀들은 엄격하게 모니터링되는 환경에서 dexmedetomidine과 같은 진정제를 사용하여 자원봉사자들의 체온과 대사율을 안전하게 낮추었으며, 자원봉사자들이 깨어날 수 있는 상태를 유지하면서도 대사량이 약 20% 감소하는 '박명 수면(twilight sleep)' 상태를 만들어냈습니다. 이러한 실험들은 인공호흡기 없이도 임상적으로 유용한 저체온증의 일부 특징을 달성할 수 있음을 보여주지만, 동시에 약물 내성 발생, 심혈관계 영향의 가능성, 장기적인 안전성이 아직 확립되지 않았다는 한계도 드러냅니다.

임무와 의학에 주는 이점

통제된 휴면의 잠재적 이점은 나열하기 쉽지만 그 중요성을 과장하기는 어렵습니다. 대사 요구량이 감소하면 장기 임무에서의 식량, 물, 산소 필요량이 줄어들어 탑재체 질량을 줄이고 생명 유지 장치를 단순화할 수 있습니다. 느려진 신진대사는 세포 분열과 DNA 복제 속도를 늦춤으로써 방사선 손상을 제한할 수도 있는데, 이때가 이온화 입자가 가장 큰 피해를 주는 시기이기 때문입니다. 심리적으로도 부분적인 휴면 상태의 승무원은 수년간의 항해에서 지루함과 대인 관계 마찰을 덜 겪게 될 것입니다.

On Earth, 통제된 저대사는 즉각적인 임상적 가치가 있습니다. 치료적 저체온증은 이미 심정지 및 외상성 부상 후 뇌를 보호하는 데 사용되고 있습니다. 현재 연구 중인 긴급 보존 프로토콜은 치명적인 출혈이 있는 환자를 신속하게 냉각하고 안정시켜, 재관류 손상이 발생하기 전에 외과의가 부상을 고칠 수 있도록 하는 '골든 아워'를 연장하는 것을 목표로 합니다. 동면 생물학을 안전하게 활용할 수 있다면, 이러한 기술들은 더 단순해지고 더 널리 보급될 수 있을 것입니다.

기술적, 생물학적 및 윤리적 과제

빠른 진전에도 불구하고, 인간 휴면으로 가는 길은 위험으로 가득 차 있습니다. 인체는 추위에 저항합니다. 떨림, 혈압 저하, 위험한 부정맥 등은 실험에서 인공호흡, 수액 지원 및 침습적 모니터링이 필요했던 흔한 반응들입니다. 또한 추위는 응고 및 면역 반응을 억제합니다. 동면 동물들은 이러한 절충안을 받아들이지만, 비동면 동물은 겪지 않는 감염과 곰팡이 위협에 직면합니다. 뇌에 국한된 휴면 유도 장치를 심정지나 발작을 피할 수 있을 만큼 구체적인 정맥 주사 약물로 변환하는 것은 화학적 및 전달 측면의 과제입니다.

우주는 복잡성을 더합니다. 휴면이 골밀도, 인지 능력, 미생물군집 및 번식 기능에 미치는 장기적인 영향은 알려져 있지 않습니다. 응급 사용의 경우 많은 잠재적 환자가 동의할 수 없다는 윤리적 및 운영상의 장애물이 있으며, 유인 임무의 경우 정보에 입각한 장기적 위험 계산이 복잡합니다. 공학적 문제도 남아 있습니다. 스테이시스 포드(stasis pods), 근력을 유지하기 위한 로봇 팔다리 움직임, 영양분 공급, 그리고 신뢰할 수 있는 재가온 프로토콜 등이 인간을 일상적으로 몇 달 동안 휴면 상태에 두기 전에 성숙하고 중복성을 갖춘 솔루션으로 마련되어야 합니다.

다음 단계 및 연구의 방향

연구자들은 여러 병렬 트랙을 추구하고 있습니다. 시리아 햄스터와 다른 동면 동물에서 발견된 저온 보호 대사산물과 단백질을 찾기 위한 분자 스크리닝, 인간이 접근 가능한 회로 표적을 식별하기 위한 신경 매핑, 그리고 안전한 저체온 프로토콜을 확장하고 개선하는 통제된 인간 연구가 그것입니다. 우주국부터 대학 연구소에 이르는 기관들은 이러한 진전이 우주 공학과 일상 의학 모두로 파급될 수 있음을 인식하고 작업을 지원하며 조율하고 있습니다.

임무를 설계하는 엔지니어들에게 즉각적인 시사점은 실용적입니다. 대사 요구량을 절반으로 줄이는 부분적 또는 간헐적 휴면은 달성하기 훨씬 쉬우면서도 여전히 엄청난 이점을 제공할 수 있습니다. 생물학자들에게 앞으로 몇 년은 시리아 햄스터, 다람쥐, 곰에서 관찰된 보호 기법이 뇌 수술 없이도 의사가 활성화할 수 있는 분자나 경로로 축소될 수 있는지 시험하는 시기가 될 것입니다. 과학은 여러 면에서 아직 전임상 단계에 있지만, 실험실 생물학, 신경과학, 우주 의학의 융합은 "동면하는 햄스터가 도움을 줄 수 있다"는 아이디어가 이제 순수한 공상 과학이 아닌 구체적인 연구 프로그램임을 의미합니다.

Sources

• The FASEB Journal (동면 시 근육 줄기세포 보존에 관한 연구)
• Hiroshima University (Mitsunori Miyazaki 및 협력자들)
• Yale School of Medicine, Gracheva Lab (다람쥐 동면 연구)
• University of Pittsburgh 응용 생리학 연구소 (유도 저체온증 / 인간 대상 시험)
• Oregon Health & Science University (휴면 스위치 신경 회로 연구)
• University of Alaska Fairbanks 및 Washington State University 곰 연구 센터 (동면 생리학)
• European Space Agency 및 NASA (인공 휴면에 관한 자금 지원 및 자문 프로그램)
• University Medical Centre Groningen (UMCG) 및 Safar Center for Resuscitation Research (저체온증 및 긴급 보존)