폐도 혈액과 혈소판 생산, 생물학 교과서 다시 써야

미국 캘리포니아대학교 샌프란시스코캠퍼스(UCSF·University of California, San Francisco) 과학자들이 숨(respiration)만 쉬게 하는 줄 알았던 폐(허파, lungs)의 놀라운 또 다른 새로운 역할은 혈액(피, blood)를 만든다는 것을 밝혔다. 쥐(mouse)의 폐에 있는 세포들은 대부분의 혈소판들(most blood platelets)을 생성하며, 골수(bone marrow)에서 부족한 혈액생성세포들(blood-making cells)을 보충(복원)하고 있다는 사실을 밝혀낸 것이다. 

연구 결과는 3월 22일(현지시간) 네이처지에 “폐는 혈소판 생산의 장소이며 조혈전구세포들을 위한 저장소(The lung is a site of platelet biogenesis and a reservoir for haematopoietic progenitors)”라는 논문을 발표했다(Lefrançais et al., Nature & Science Daily, 22 Mar 2017). 

과학자들은 비디오 현미경(video microscopy)을 이용해 살아있는 쥐의 폐에서, 이전에는 전혀 알려지지 않았던 혈액을 생산(blood production)하고 있다는 사실을 확인했다. 

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▲ 쥐의 폐 혈관계에서 혈소판들의 방출 장면(Release of platelets in the lung vasculature). Image: UCSF 영상 갈무리

혈구(blood corpuscle, 血球)란 혈액(blood) 속에 부유(浮遊)하는 세포들로 크게 적혈구(red blood cell, 赤血球), 백혈구(white blood cell, 白血球), 혈소판으로(blood platelet, 血小板) 나눌 수 있다. 혈소판은 혈액 내에 존재하면서 응집 또는 응고(clotting) 과정을 통해 지혈(stanches bleeding)을 담당하는 혈액성분(blood components)으로 크기는 지름 2∼3㎛ 정도다. 이번 연구에서 과학자들은 바로 폐가 전체 혈소판들의 절반 이상을 생산하고 있다는 것을 발견한 것이다. 이는 쥐의 총 혈소판 중 절반 이상이 골수가 아닌 폐에서 만들어진다는 사실을 보여주는 것이다.

또 다른 놀라운 발견은, 그전에는 혈액생산 주요 장소가 골수세포의 줄기세포들(the stem cells of the bone marrow)이라 생각했었는데, 이전에 알려지지 않았던 폐의 혈액줄기세포들의 풀(a previously unknown pool of blood stem cells)이 골수의 줄기세포들이 고갈되었을 때 골수로 이동해 혈액 생산을 하고 있다는 사실을 발견한 것이다. 

따라서 생물학 교과서가 다시 써져야 함을 의미하는 것이다. 혈액을 만드는 근본인 거핵세포들(megakaryocytes)은 골수에서 만들어지지만, 호흡기능 만을 지닌 것으로 알려진 폐도 골수의 파트너로서 조혈 기능을 수행한다는 것이다.

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▲ Credit: nature

이번 연구의 교신저자이며 UCSF의 흉부외과 전문의(pulmonologist)인 루니(Mark R. Looney) 교수는 “이번 발견은 폐의 보다 복잡한 양상을 제안하고 있는 것이다. 폐는 숨만 쉬게 하는 역할만 하는 것이 아니라 주요한 혈액을 생산하는 주요 파트너 역할도 하고 있다. 따라서 인간의 폐도 쥐와 같이 혈액을 생산하는 역할을 한다는 것을 강력히 제안하고 있는 것이다”라고 말했다. 

이번 발견은 낮은 혈소판 수(혈소판 부족, low platelet counts)나 혈소판 감소증으로(thrombocytopenia) 수백만 명의 환자들을 괴롭히고, 또한 제어할 수 없는 출혈(uncontrolled bleeding)의 위험성을 증가시키는 인간 질병에 대한 이해를 높이는데 지대한 공헌을 할 것으로 보인다. 또한 이번 발견으로 다른 사람의 폐를 이식(lung transplants)을 받는 사람들에게 폐의 혈액줄기세포들이 어떠한 영향을 미칠 것인지에 대한 질문들을 제시하고 있어, 추가적인 연구가 신속히 이루어져야 한다는 의견들이 나오고 있다.  

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▲ Credit: nature

연구팀은 독자적으로 최근에 개발한 ‘2 광자 생체 촬영(two-photon intravital imaging)’라 알려진 기술을 이용했다. 이 이미징(촬영) 기술은 연구원들로 하여금 살아 있는 쥐 폐의 작은 혈관들 내의 개별 혈구들의 행동을 아주 정교하게 시각화할 수 있게 했다. 연구팀은 이 기술을 이용해 폐에서의 순환 혈소판들(circulating platelets)과 면역 시스템(immune system) 사이의 상호작용을 관찰 할 수 있었다. 

우선 유전자 조작으로 쥐의 혈소판들이 밝은 그린색 형광을 내도록(위 그림 참조, bright green fluorescence)하는 형광표지를 붙이고, 이를 쥐에 이식했다. 그러자 곧 형광표지 거핵세포들(megakaryocytes)이 폐 혈관계(lung vasculature)에 나타나기 시작했다. 거핵세포들은 전에도 폐에서 관찰된 적이 있었는데, 거핵세포들은 주로 골수에서 살며 거핵세포가 잘게 쪼개져서 혈소판들을 생산한다고 일반적으로 생각해왔다. 

제1저자인 레프랑카이스(Emma Lefrançais) 박사는 “우리가 이 거대한 거핵세포들의 집단들이 폐에서 사는 것처럼 나타난 것을 발견했을 때, 우리는 무언가 후속조치를 해야 함을 깨달았다”라고 말했다. 이어서 좀 더 자세히 거핵세포들을 관찰한 결과 쥐의 폐는 시간당 1천만 개 이상의 혈소판들을 만들고 있다는 것이 비디오 현미경으로 확인했다. 이것은 무엇을의미하는가 하면 골수가 아니라 폐에서 전체 혈소판의 절반 이상이 생산되고 있다는 것을 의미하는 것이다. 또한 비디오 현미경을 통해 전에는 간과했던 것이 새롭게 밝혀졌는데, 거핵세포전구세포들(megakaryocyte progenitor cells)과 혈액줄기세포들이 폐혈관 외부에 앉아 있다는(준비하고 있다) 것을 발견했다. 쥐 폐 당 대략적으로 1백만 개가 대기하고 있었다.

그러면 폐의 새로운 거핵세포들과 혈액줄기세포들은 폐와 골수 사이를 어떻게 오고 가느냐 인데, 이에 대한 실험이 뒤 따랐다. 바로 연구팀은 명확하게 이를 밝혀줄 폐를 이식하는 시험을 한 것이었다.  

첫째, 연구팀은 형광표지를 붙인 거핵세포들을 가진 정상적인 쥐의 폐를 다른 쥐에 이식했다. 그러자 곧 형광표지 거핵세포들이 쥐 폐의 혈관계에 나타나기 시작했다. 이것은 무엇을 의미하는가 하면 형광표지 거핵세포들을 가진 폐를 외부에서 이식했는데 폐 혈관계에 그대로 나타났으므로, 폐에서 혈소판을 만드는 거핵세포들의 원래 생산지는 골수라는 것을 의미하는 것이다. 이는 골수의 거핵세포들이 폐로 이동했다는 증거다.

제2저자인 오티즈-문노즈(Guadalupe Ortiz-Muñoz) 박사는 “거핵세포들이 골수에서 폐까지 여행하면서 혈소판을 만든다는 것은 흥미롭다. 폐는 혈소판 생산을 위한 하나의 이상적 생물반응기(bioreactor)이다. 왜냐하면 혈액이 만드는 기계역학(mechanical force) 때문인지도 모르며 아니면 우리가 아직 밝혀내지 못한 분자신호(molecular signaling)에 의한 것이라고 말할 수 있다”라고 말했다.

두 번째 실험이 이어졌다. 연구팀은 형광표지를 붙인 거핵세포전구세포들(megakaryocyte progenitor cells)을 지닌 폐를 혈소판 수가 부족한 유전자 변이 쥐에 이식했다. 그 결과 형광표지를 지닌 혈소판이 대거 나타나면서 부족한 혈소판이 채워져 정상적인 수준까지 복원되었다. 이 효과는 몇 달 동안 지속됐다. 

마지막 실험이 이어졌다. 이번엔 골수기능이 손상된 유전자 변이 쥐에, 모든 혈구 세포들에 형광표지를 붙인 매우 건강한 폐를 이식했다. 그 결과 골수기능이 손상됐을 땐 폐의 혈관계 외부에 머물러 있던(앉아 있던) 혈액줄기세포들이 골수로 이동, 손상된 골수를 복원할 뿐만 아니라, 백혈구의 하나인 호중구(neutrophils), B세포, T세포 같은 면역세포를 포함, 다양한 혈액세포들을 만들어 냈다. 

결론적으로 이번 연구결과는 거핵세포전구세포들을 비롯한 혈액줄기세포들이 골수와 폐를 오가면서 조혈 기능을 수행한다는 사실을 보여주는 것이다. 루니 교수는 “혈액을 만드는 혈액줄기세포들은 한 곳에 정착해 살지 않고 혈류(blood stream)를 따라 이동(여행)하면서 혈액을 생산하는 것처럼 보인다. 그래서 폐가 아닌 다른 장기들도 마찬가지로 보이는데 줄기세포의 영역과 교육이 다른 차원에 들어선 것이다. 이는 사람도 마찬가지일 것이다”다고 말했다.

필자가 보기에도 218개 장기들은 폐와 마찬가지로 장기들이 필요한 혈액을 만들고, 혈액을 만드는 혈액줄기세포들을 비축해 놓을 것이란 예측이다. 그리고 거대하고 민첩한 네트워킹으로 서로 협력해 모자라는 부분을 복원할 것이다. 혈액은 골수세포에서 만들어진다는 고전 생물학을 과감히 버리고 처음부터 연구를 다시 시작하자. [정리 김들풀 기자  itnews@itnews.or.kr]
 

크기변환_사본-10632695_637493523030856_2757249799481243589_n차원용 소장/교수/MBA/공학박사/미래학자

아스팩미래기술경영연구소(주) 대표, 국가과학기술심의회 ICT융합전문위원회 전문위원, 국토교통부 자율주행차 융복합미래포럼 비즈니스분과 위원, 전자정부 민관협력포럼 위원, 국제미래학회 과학기술위원장