박찬흠 교수팀 ‘바이오캐비넷’…누리호 실려 우주로 발사

[K-우주의학의 미래] 우주 환경에서 심장 조직 형성 가능성 검증 가능

박찬흠 한림대 나노바이오재생의학연구소장(한림대춘천성심병원 이비인후과 교수) 연구팀이 개발한 우주 생물학 연구 탑재체 ‘바이오캐비넷(BioCabinet)’이 차세대중형위성 누리호 3호기에 탑재돼 오는 27일 누리호 4차 발사를 통해 우주로 향할 예정이다.

바이오캐비넷은 55kg, 790×590×249mm 무게다. 바이오 3D 프린터와 줄기세포 분화 배양기를 포함한 첨단 연구 탑재체다. 우주 환경에서 자동으로 인간의 인공 심장을 제작할 수 있도록 설계됐다.

지구에서는 질환이 발생하면 즉시 치료가 가능하지만, 우주에서는 신속한 진료가 어렵고, 지구 귀환에는 많은 시간과 비용이 소요된다. 바이오캐비넷은 이러한 한계를 극복하고, 우주 공간에서 생체조직을 빠르게 제작, 질환 반응성을 확인할 수 있는 ‘우주 의료 기술’ 실증이 목표다. 임무 수행 기간은 60일이며, 세포 상태와 연구 목적에 따라 최대 1년까지 연장이 가능하다.

박찬흠 한림대의대 나노바이오재생의학연구소장 (사진=한림대의료원)

박 교수는 발사 과정의 충격과 우주 환경에서도 세포를 배양하고 분화시키며 모니터링할 수 있는 시스템을 직접 고안했다. 사람이 개입할 수 없는 환경에서도 완전 자동으로 작동하는 3D 프린터를 직접 제작했다.

탑재체에는 두 가지 바이오 모듈이 있다. 첫 번째 모듈은 역분화 심장 줄기세포를 이용해 심장 조직을 3D 프린팅하고, 세포가 스스로 수축하며 박동하는 과정 관찰이 이뤄진다. 해당 세포는 사람의 체세포에서 심장 줄기세포로 역분화시킨 것. 실제 심장 세포와 거의 동일한 기능을 재현할 수 있어 인체에 실제 활용 가능하다.

두 번째 모듈은 편도(Tonsil)에서 유래한 줄기세포가 사용된다. 편도는 인체에서 대량으로 줄기세포를 채취할 수 있는 조직이다. 면역 기능 및 줄기세포 생존력이 높고, 다양한 세포로 분화할 가능성이 높아 이를 혈관 세포 분화가 가능하다. 만약 편도유래 줄기세포는 우주 환경에서도 안정적으로 혈관 분화가 된다면 지상 및 우주에서 혈관 질환 치료에 활용될 수 있다.

국내 최초 우주바이오 시대 개막

바이오캐비넷은 심혈관질환 치료를 위한 인공장기 제작 연구의 기초 자료 확보에 기여할 것으로 전망된다. 바이오캐비넷은 우주 압력·온도·방사선 등 영향을 받은 바이오 환경 데이터를 국내에서는 처음으로 확보하게 된다.

우주 연구는 미래 기술 개발을 위한 핵심 분야다. 지상에서는 중력의 영향으로 세포가 바닥으로 쏠리며 혈관 분화가 원활하지 않아 정교한 장기 조직 형성이 어렵다. 

미세중력 환경에서는 혈관 직경이 늘어나고 심박출량이 증가해 부정맥, 심근경색 등 심혈관질환 위험이 커진다. 박 교수가 심장이 우주인에게서 가장 먼저 손상될 가능성이 높은 장기로 보고, 장기 체류를 위한 치료 및 예방책 개발을 목표로 연구를 시작한 이유다.

우주에서 미세중력은 약물 결정화에 최적화된 조건을 제공해 불순물이 없는 고순도(99.9%) 항암제 생산이 가능하다. 머크와 화이자 등이 국제우주정거장(ISS)에 수조 원을 투자하는 이유다.

이번 연구를 통해 인공장기의 실제 박동 데이터를 확보하게 되면 심혈관질환 치료제 개발의 실마리가 될 것으로 기대된다.

박찬흠 한림대의대 나노바이오재생의학연구소장

박 교수는 바이오캐비넷 발사를 발판으로 우주 의생명공학 연구를 지속적으로 확장할 계획이다. 그는 2027년 발사 예정인 인공위성 기반 약물 스크린 플랫폼 ‘바이오렉스(BioRexs)’를 개발하고 있다.

해당 연구는 지구에서 악성도가 가장 높은 뇌종양인 교모세포종을 우주 궤도에서 배양하고, 새로 개발된 항암제의 미세중력과 우주 환경에서의 약물 효용성 기전을 규명하는 것을 목표로 한다.

또 2027년 국제우주정거장 발사를 목표로 난치성 간질환 치료를 위해 우주정거장에서 인공 간 구조체를 바이오 3D 프린터로 제작 및 배양 후 다시 지구로 귀환하여 동물에 이식하는 바이오리브(BioLiv) 연구도 진행 중이다.

장기적으로 박 교수는 우주에서 약물 및 조직공학 제형을 제작해 지구로 귀환시키는 ‘바이오팩토리(BioFactory)’, 1년 이상 심우주를 비행하며 미생물의 변화를 관찰하는 ‘바이오딥(BioDeep)’, 달 환경을 연구하는 ‘바이오루나(BioLunar)’, 화성 환경에서의 우주 의생명공학 연구를 하는 ‘바이오마스(BioMars)’ 등의 프로젝트도 준비하고 있다.

박찬흠 교수는 “우주 개발이 당장 수익이 나는 것은 아니지만, CT·MRI·인터넷처럼 미래에 거대한 파급력을 지닌 기술을 낳는 꿈을 먹고 사는 분야”라며 “지속적인 국가적 투자가 필요하며, 이번 연구를 계기로 대한민국 우주 의생명공학 분야의 새로운 장을 열겠다”라고 밝혔다.