December 15,2019

우주비행이 장 기능에 악영향?

미세중력서 장 상피세포 장벽 기능 저하

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우주 공간에서 장기간 체류하면 장 질환에 걸릴 위험성이 커지는 것으로 밝혀졌다. 장을 보호하는 상피세포의 기능이 저하되면서 식중독균과 같은 유해 미생물에 쉽게 감염될 우려가 있다는 것이다.

UC 리버사이드(University of California, Riverside)의 생의학 연구팀은 우주비행에서 겪게 되는 미세 중력 환경을 시뮬레이션한 실험에서 내장 상피세포의 장벽 기능이 손상되어 박테리아나 곰팡이, 바이러스 등의 침입에 취약해진다는 사실을 알아냈다. 이 연구는 지난달 26일 온라인 과학 저널인 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’에 발표되었다.

국제우주정거장에서 식사하는 우주비행사들. © NASA / ESA

국제우주정거장에서 식사하는 우주비행사들. © NASA / ESA

미세 중력은 우주비행사들에게 위염을 비롯한 여러 증상 및 질병을 유발하기도 한다. 이전까지는 미세 중력이 사람의 면역계를 약화시키는 것으로 알려졌다. 그러나 이번 연구로 장기간 우주 체류 과정에서 살모넬라와 같은 식중독균에 노출되면, 지구에 있을 때보다 더 심각한 증세가 나타날 수 있다는 점이 확인됐다.

장 상피세포는 위장과 소장 및 대장의 내부 표피를 이루고 있는 세포층이다. 주요 기능으로는 소화액과 장내 미생물의 활동으로 분해된 물질을 흡수하고, 유해 미생물의 침투를 막는 장벽을 제공한다. 이러한 상피세포에 기능 장애가 발생하면 장 질환을 유발할 수 있다.

연구를 주도한 UC 리버사이드 생명과학과 데클란 매콜(Declan McCole) 교수는 “우리는 미세 중력이 우주비행사의 장 기능에 미치는 영향을 연구했다. 이를 통해서 지구로 귀환한 후 장 상피세포가 장벽 기능을 손상시키는 물질에 얼마나 견딜 수 있는지 이해할 수 있었다”라고 밝혔다.

RWV는 미세중력 환경을 재현하여 세포 배양을 할 수 있다. © NASA

RWV는 미세중력 환경을 재현하여 세포 배양을 할 수 있다. © NASA

NASA가 개발한 기술로 무중력 환경 재현

미항공우주국(NASA)은 1990년대 초반에 ‘회전식 배양 시스템(Rotary Cell Culture System, RCCS)’을 개발했다. 이 장치는 지상에서 미세 중력 환경을 재현하여 세포를 배양할 수 있을 뿐만 아니라, 기존 배양 방법을 능가하는 몇 가지 장점이 있다. 실험실에서 배양된 세포 조직은 작고 평평한 경향이 있지만, RCCS에서 자란 조직은 더 큰 3차원 구조로 화학적 특성이 정상 조직과 비슷하다.

매콜 연구팀은 RCCS 기술을 응용한 ‘회전벽 용기(Rotating Wall Vessel, RWV)’라는 세포 배양기를 이용해서 내장 상피세포 샘플의 성장을 관찰했다. 밀폐된 실린더형 세포 배양 챔버는 수평축을 중심으로 분당 16~17.8번 회전하여 미세 중력과 비슷한 환경에서 세포가 자랄 수 있도록 만들었다.

세포주를 18일 동안 배양한 실험에서는 장 상피세포의 ‘긴밀한 접합부’ 형성이 지연된 것으로 나타났다. 이는 개별 상피세포를 연결하는 접합부가 느슨해져서 미생물 침투를 막는 능력이 저하됐음을 의미한다.

(A, C) HT-29.cl19a 장 상피세포를 RWV에서 배양한 첫날 모습, (B, D) 실험 11~18일째 모습. © UC Riverside

(A, C) HT-29.cl19a 장 상피세포를 RWV에서 배양한 첫날 모습, (B, D) 실험 11~18일째 모습. © UC Riverside

지구로 돌아온 뒤에도 영향 지속돼

연구팀은 정상 중력으로 돌아와도 여전히 상피 장벽의 기능이 저하된 상태라는 사실을 발견했다. 투과성 유발제로 알코올 대사 물질인 아세트알데하이드를 주입한 결과, RWV에서 배양된 상피세포 조직은 정상 중력에서도 약 14일간 접합부의 연결을 제대로 형성하지 못했다.

실험 결과에 대해서 매콜 교수는 “우리는 미세 중력이 상피세포의 특성을 약화시켜 작용제의 영향에 제대로 대응하지 못하게 만든다는 것을 확인했다”라면서 “상피 장벽의 결함은 미세 중력 환경에서 벗어난 후에도 일정 기간 유지되었다”라고 말했다.

연구진에 따르면 장 상피세포의 장벽 기능은 건강한 장을 유지하는 데 매우 중요한 요소다. 만약 파열되면 염증성 장 질환, 체강 질병, 제1형 당뇨병 및 간 질환과 같은 감염 및 만성 염증의 발병 가능성을 증가시킬 수 있다고 한다.

매콜 교수는 “이번 연구는 미세 중력 환경에서 벗어난 후 시간이 지남에 따라 상피세포의 장벽 특성이 어떠한 기능적 변화를 보이는지 조사한 첫 번째 실험이다”라면서 앞으로 장기 우주여행 및 우주 식민지 개척에서 식중독 등의 발병 위험성을 계속 연구할 예정이라고 밝혔다.

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