심장 유전자 없는 배아에 인간 줄기세포 주입
21일간 돼지 배아에서 인간 심장 박동 확인
장기에 異種 세포 융합하는 키메라 연구
이식용 장기 부족 문제의 대안으로 주목

돼지의 몸에서 인간 장기를 키워 환자에게 이식하는 키메라 장기 연구가 이뤄지고 있다. 인간 신장에 이어 심장까지 돼지 배아에서 성장시키는 데 성공했다./pixabay

자궁에 자리 잡은 지 3주밖에 되지 않은 손가락 마디만 몸에서 심장이 콩닥콩닥 뛴다. 산부인과에서 초음파 영상을 본 예비 엄마, 아빠에게 커다란 감동을 주던 장면이다. 중국 광저우의 과학자도 실험실에서 같은 영상을 보고 벅찬 감정을 느끼고 있었다. 같은 아기 심장이지만 다만 몸은 달랐다. 세계 최초로 돼지 배아에서 사람 심장이 자란 것이다.

국제 학술지 네이처는 중국 광저우 생물의약건강연구소의 라이 량쉐(Liangxue Lai) 박사 연구진이 처음으로 돼지 배아에서 인간 심장을 성장시키는 데 성공했다고 지난 13일(현지 시각) 밝혔다. 라이 박사 연구진은 지난 11~14일 홍콩에서 열린 국제줄기세포학회에서 인간 심장을 가진 돼지 배아가 21일 동안 생존했고, 그 사이 심장 박동을 보였다고 밝혔다.

◇21일 동안 돼지 몸에서 박동

돼지는 장기 크기와 형태가 사람과 비슷해 수십년 전부터 이식용 장기 부족 문제를 해결할 대안으로 주목받았다. 심장과 신장 같은 장기(臟器)가 돼지에서 사람으로 옮겨가는 이른바 이종(異種) 장기 이식이다. 하지만 아무리 비슷해도 돼지 장기라서 사람 몸에 들어가면 면역거부반응이 일어날 수 있다.

과학자들은 돼지 몸에서 인간 장기를 키우면 이런 문제를 피할 수 있다고 본다. 라이 박사는 지난 2023년 돼지 배아에서 인간 신장을 성장시키는 데 성공한 바 있다. 이번에도 방법은 같았다.

돼지 몸에서 인간 신장을 자라게 하는 키메라 연구 방법. 먼저 환자의 세포를 역분화시켜 미분화 상태인 유도만능줄기세포(iPS세포)를 만든다(위). 돼지 배아에서 신장 형성 유전자를 없앤다(가운데). 돼지 배아에 인간 iPS세포를 주입, 대리모에 착상키면 배아에서 인간 신장이 자란다(아래)./Cell Stem Cell

먼저 사람의 유도만능줄기세포(iPS세포)를 만든다. 피부세포처럼 다 자란 세포가 배아줄기세포처럼 인체의 모든 세포로 자라는 초기 미분화 세포 상태로 돌아간 것을 말한다. iPS세포는 배아줄기세포와는 달리 난자나 수정란을 파괴하지 않고도 환자 자신의 세포로 만들 수 있어 윤리적 문제없이 맞춤형 치료가 가능하다. 연구진은 iPS세포에 사멸을 방지하고 성장을 촉진하는 유전자를 도입했다.

연구진은 생존 능력이 강화된 인간 iPS세포를 돼지 배아에 주입했다. 그 전에 배아에서 심장을 자라게 하는 유전자 두 개를 없앴다. 정자와 난자가 만난 직후 배아는 세포가 12개로 분열한 상실배(桑實胚) 단계가 됐다. 세포가 여러 개로 갈라져 마치 뽕나무 열매 오디처럼 생겼다고 붙은 이름이다. 이 단계에서 인간 iPS세포를 주입하고 배아를 대리모 암컷의 자궁에 이식했다.

인간 심장을 가진 돼지 배아는 21일 동안 자라다가 죽었다. 라이 박사는 인간 세포가 돼지 심장의 기능을 방해했을 가능성이 있다고 말했다. 그 전에 돼지 배아의 심장을 살펴보니 같은 단계의 인간 심장과 비슷한 손가락 끝 마디만 한 크기로 성장해 박동하고 있었다.

연구진은 인간 줄기세포만 형광을 내도록 유전자를 변형해 심장에서 사람 세포가 얼마나 차지하는지 알아봤다. 이번 학회에서는 구체적 수치를 밝히지는 않았다. 다만 앞서 돼지 배아에서 자란 인간 신장과 비슷한 수준으로 추정됐다. 당시 신장에서 인간 세포는 40~60%를 차지했다.

나카우치 히로미츠 미 스탠퍼드 의대 교수는 인간 세포를 기지고 동물 몸에서 자라는 이른바 '키메라' 장기를 연구하는 과학자이다. 도쿄대 의대 교수이던 그는 정부 규제로 연구를 하기 힘들어지자 일본을 떠나 미국에 자리를 잡았다. 일본 정부는 나카우치 교수를 계기로 관련 규제를 완화해 그가 다시 일본에서 연구할 수 있도록 했다./김흥구 객원기자

◇이식용 장기 부족 문제 해결할 대안

이번 연구는 이른바 ‘키메라(chimera)’ 연구의 일환이다. 그리스 신화에서 사자의 머리에 염소의 몸, 뱀의 꼬리를 한 동물인 키메라처럼, 한 동물에서 종이 다른 동물의 줄기세포를 키워 발생과 질병을 연구하고 나아가 갈수록 부족해지는 이식용 장기까지 얻자는 것이다.

이를테면 심장 크기가 사람과 비슷한 돼지 배아에 사람 줄기세포를 넣어 인간화된 심장을 얻는 식이다. 그 가능성을 보여준 게 2017년 나카우치 히로미츠(Hiromitsu Nakauchi) 미국 스탠퍼드대 교수의 실험이었다. 당시 연구진은 시궁쥐의 몸에서 생쥐의 체장을 키웠다. 나중에 이 췌장을 당뇨병에 걸린 생쥐에게 이식했더니 치료됐다.

인간 세포를 가진 키메라 동물도 나왔다. 2017년 소크 연구소의 후안 카를로스 이즈피수아 벨몬테(Juan Carlos Izpisua Belmonte) 교수는 사람 줄기세포를 돼지 배아에 이식했다. 수정란을 대리모 암컷 돼지의 자궁에 이식해 3~4주 배양하자 돼지 태아의 근육과 장기에서 사람 세포가 자랐다. 인간과 같은 영장류 사이의 키메라도 성공했다.

키메라 장기가 손상된 장기를 대체하고 정상 작동할 수 있다는 증거도 나왔다. 크리스틴 볼드윈(Kristin Baldwin) 미국 컬럼비아대 의대 교수 연구진은 지난해 국제 학술지 ‘셀’에 “생쥐가 시궁쥐의 줄기세포를 받아 뇌에서 두 동물의 세포가 융합하면서 잃어버렸던 후각을 되찾았다”고 밝혔다. 한 동물이 종이 다른 동물의 감각세포를 통해 세상을 감지하고 반응한 것은 이번이 처음이다.

관건은 해당 장기가 전적으로 인간 세포로 구성돼야 한다는 것이다. 그래야 면역거부반응을 완전히 피할 수 있다. 스탠퍼드대의 나카우치 교수는 이번 학회에 참석해 “심장 세포가 확실히 인간 세포인지 확인하려면 데이터를 자세히 살펴봐야 할 것”이라며 “키메라의 일반적인 문제는 인간 세포주가 다른 종의 세포에 오염되었을 가능성이 있다는 것”이라고 말했다.

일부에서는 윤리적 문제도 제기한다. 특히 의식과 관련된 뇌는 키메라 연구를 제한해야 한다고 본다. 연구가 무분별하게 진행되면 영화 ‘혹성탈출’처럼 사람의 의식을 가진 원숭이가 탄생할 수 있다고 우려하기도 한다.

참고 자료

Nature(2025), DOI: https://doi.org/10.1038/d41586-025-01854-x

Cell(2024), DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.03.042

Cell Stem Cell(2023), DOI: https://doi.org/10.1016/j.stem.2023.08.003

Cell(2021), DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.03.020

Cell(2017), DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2016.12.036

Nature(2017), DOI: https://doi.org/10.1038/542009b

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