우리는 박동하는 인공 심장, 혈액을 걸러내는 투석기, 청각을 우회하는 인공 와우, 피부 생성을 돕는 콜라겐 발판을 설계했다. 우리는 성별 확인 요법, 월경 억제, 피임, 암, 폐경 및 당뇨병을 위한 호르몬을 합성하고 투여했다. 우리는 팔다리와 손가락뿐만 아니라 코, 귀, 가슴, 성기를 대체할 보철물을 설계했다. 우리는 티타늄을 뼈로, 금을 치아로, 유리를 눈으로 바꿨다.

 

그러나 우리의 생리적 조직 전체에서 혈액은 흉내낼 수 없고 연약한 끈으로 남아 있다. 이 귀중하고 마법에 가까운 물질은 아직 합성, 제조, 대규모 성장 또는 장기간 비축할 수 없다. 오늘날 우리는 수혈을 위해 그것을 조달할 수 있는 단 한 가지 방법이 있다. 기증자의 선의는 종종 사회적 필요를 충족시키기에 거의 충분하지 않아 외상, 산후 출혈 및 소아 빈혈로 인한 "셀 수 없는" 사망자 수를 초래한다.

 

피츠버그 대학의 외과 및 중환자 치료 교수이자 외상 및 수혈 의학 연구 센터의 공동 책임자이자 군사 의학 연구 센터의 부국장인 필립 스피넬라(Philip Spinella)는 혈액은 본질적으로 자체 장기 시스템이라고 말했다. 인간의 경우 60,000마일 길이의 혈관 고속도로를 따라 순환하며 산소를 분배하고 영양분과 호르몬을 순환하며 노폐물을 제거하고 면역 체계를 방어하며 열을 분배하고 이동하면서 신체의 화학적 및 체액 균형을 유지한다. 성인 체중의 약 1/12은 물, 단백질, 염분, 설탕, 지방, 산소가 풍부한 적혈구 및 응고를 유발하는 혈소판의 기적적인 혈액 혼합 덕분이다.

 

지난 수 세기 동안 의사들은 혈액을 맥주, 소변, 소금물, 우유로 대체하려고 했지만 실패했다. 그러나 지난 10년 동안 과학자들은 마침내 신선한 인간 혈액을 모방하기 위한 의학적 연구에서 돌파구를 찾기 시작했다. 지난 가을, 획기적인 영국 임상 시험에서 실험실에서 배양한 혈액 2티스푼을 환자에게 성공적으로 수혈했으며, 다른 접근 방식은 혈액의 다양한 요소를 합성하여 재생산하여 실제 혈액을 기능적으로 대체하는 방법을 모색하고 있다.

 

이러한 프로젝트는 초기 단계에 있으며 전문가들은 인공 혈액이 인간의 정맥을 통해 자유롭게 펌핑되기까지 몇 년, 잠재적으로 10년이 걸릴 것이라고 경고한다. 그러나 연구자들은 가장 원대한 비전에서 인공 혈액이 의료 응급 상황에서 중요한 체액을 공급하는 방법을 혁신할 수 있고 어쩌면 혈액 부족이 없는 세상을 예고할 수도 있다고 믿는다.

 

전 세계적으로 혈액 공급이 만성적으로 부족하다.

2초마다 미국에서 누군가가 혈액을 필요로 한다. 수술이나 산후 출혈, 암 치료, 교통사고나 총상으로 인한 외상성 부상, 낫적혈구, 말라리아, 지중해빈혈 등의 질병 치료를 위해 수혈이 필요할 수 있다. 외상으로 인한 예방 가능한 사망의 주요 원인은 매년 30,000~60,000명의 미국인이 사망하는 통제되지 않은 혈액 손실인 출혈이다. 희귀 혈액형을 가진 사람들의 경우 수혈에 대한 접근이 본질적으로 더 어렵다. 적십자에 따르면 그들과 정확히 일치하는 혈액을 찾는 것은 “건초더미에서 바늘을 찾는 것만큼 어려울 수 있다.” 입원 환자 18명 중 약 1명이 혈액 이식을 받고 있으며, 일반 인구의 고령화에 따라 기부 수요가 증가할 것이라고 전문가들은 말한다.

 

대유행 동안 미국에서는 헌혈하는 사람이 줄어들고 헌혈 센터가 재정적으로 생존하기 위해 고군분투하면서 혈액 공급 부족이 위기 수준에 이르렀다. 작년에 미국 적십자사는 10년 만에 최악의 부족에 직면해 있으며 병원 수요의 1/4만 충족할 수 있다고 발표했다. 같은 시기에 해외에서 영국의 혈액 재고는 약 2일 분량으로 고갈되었다(일반적으로 최소 6일 동안 충분한 재고를 목표로 함).

 

사하라 사막 이남의 아프리카, 남아시아, 오세아니아에 있는 모든 국가를 포함하여 전 세계 국가의 약 60퍼센트가 이미 혈액의 필요성을 충족시키기 위해 만성적으로 고군분투하고 있다. 매년 전 세계에서 수집되는 혈액의 절반은 미국, 캐나다, 유럽 및 호주에서 나온다. 2021년 글로벌 연구 그룹은 "이 희소성의 결과는 끔찍하다"고 지적했다.

 

터키와 시리아에서 50,000명의 사망자와 122,500명의 부상자를 낸 지난 2월의 지진이나 2023년 지금까지 미국에서 225명의 목숨을 앗아가고 수백 명의 부상자를 낸 160건 이상의 대량 총격 사건과 같은 재난은 정기적으로 이 부족함의 기한을 가중시킨다. 합성 혈소판을 개발하고 있는 생물제약회사 하이마 테라퓨틱스(Haima Therapeutics)의 CTO이자 클리블랜드에 있는 케이스 웨스턴 리저브 대학교(Case Western Reserve University)의 생의학 공학 교수인 아니르반 센 굽타(Anirban Sen Gupta)는 응급 상황이든 아니든 "충분히 섭취하는 데 지속적인 어려움이 있다"고 말했다.

 

브리검 여성병원과 하버드 의과대학의 수혈 전문가이자 병리학자인 리 차이(Li Chai)는 병원의 혈액 재고가 부족할 때 선택적 수술을 취소하는 것이 첫 번째 방어책이 된다고 말했다. 그러나 때때로 그것만으로는 충분하지 않을 수 있으며, 예를 들어 암 환자에게 수혈을 하거나 극단적인 의료 응급 상황에 대비해 귀중한 혈액 매장을 보존하기 위해 의사가 극심한 결정을 내리도록 강요할 수 있다. 리 차이는 수혈이 필요한 환자에게 “'당신에게 줄 것이 없다'고 말하기가 정말 어렵다”고 말했다.

그래서 연구자들은 전례 없는 일을 향해 노력하고 있다. 골수에서 실험실로 혈액 생산을 아웃소싱하는 것이다. 이 프로젝트는 400년 이상 전에 본격적으로 시작되었다.

 

혈액 대체의 간략한 병력

혈액은 심장과 직접적인 관련이 있고 선명한 색조(와인색에서 체리색, 코발트 블루까지), 출생과 죽음 모두에서 흘러나오는 혈액은 역사적으로 인류에 대한 은유 역할을 해왔다. 위스콘신대학교 매디슨 캠퍼스의 병력 및 생명윤리학 박사는 2008년 저서 살과 피(Flesh and Blood)에서 주장한다. 1880년대 프리드리히 니체는 “피로 글을 쓰라. 그러면 피가 영혼임을 알게 될 것이다.”라고 말했다. 라이너 마리아 릴케는 1921년에 "내 정신의 모든 상승은 내 피에서 시작된다."라고 썼다. "혈액은 언어가 없는 기억이다.”

레더러는 "사람들은 그것을 중요한 본질의 일부로 이해했다. "라고 말했다. "신장에는 로맨스가 훨씬 적다."

레더러는 의학이 1900년대 초에 몸 사이에 피를 나누어 생명을 구하는 방법을 일상적으로 배우기 전에 치료사들은 창과 거머리로 피를 빼내어 질병과 질병을 치료하려고 수세기를 보냈다고 썼다. 1628년 의사 윌리엄 하비가 순환계에 대해 설명한 후 유럽인들은 혈류에 동물의 피와 같은 액체를 추가할 가능성을 고려하기 시작했다. 이 초기 선구자들은 혈전이 공기에 노출되면 응고되고, 질병을 전염시킬 수 있으며, 일치하지 않으면 독성이 나타날 수 있다는 생리학적 현실에 직면했을 때 수혈의 안전성과 효능을 입증하기 위해 고군분투했다(혈액형은 1901년까지 발견되지 않았다). 17세기 말까지 그들은 의학적인 가치가 거의 없는 위험한 절차로서 인간 간의 수혈을 거의 폐기했다고 레더러는 지적한다.

 

유럽에서 100년 이상 잠자고 있던 북미 의사들은 황열병과 콜레라로 죽어가는 환자들에게 자체적인 수혈 실험을 시작했다. 이러한 노력은 널리 퍼지지 않았다. 약 750,000명의 전투원이 사망하고 전장에서 수만 개의 팔다리가 절단된 미국 남북 전쟁 동안 수혈 기록은 단 4개에 불과하다고 레더러는 썼다.

 

20세기 초에 최초로 성공한 수혈은 절망에서 비롯되었다. 다른 생명을 구하는 방법이 없을 때 외과의는 노출된 혈관을 말 그대로 함께 꿰매어 한 환자의 혈액을 다른 환자에게 주입했다. 레더러는 "젖은 성냥개비의 일관성"을 가지고 있었다. 시간이 지남에 따라 멸균 바늘, 항응고제 및 원심분리와 같은 발전으로 (거의) 고통 없이 혈액을 채취하여 한 번에 며칠 동안 냉장 보관하고 구성 요소인 적혈구 및 백혈구, 혈장 및 혈소판으로 분할할 수 있게 되었다.

그 동안 연구원들은 질병 전파 위험이 있고 장기간(42일 이하) 보관할 수 없으며 혈액이 충분하지 않은 등 많은 제한 사항이 있는 기증된 신선한 혈액에 대한 대안을 계속 찾았다. 그들은 거의 100년 동안 적혈구에서 분리한 화학적으로 변형된 유리 헤모글로빈을 실험했지만 이러한 용액이 궁극적으로 신장 손상과 혈관성 고혈압을 유발한다는 사실을 발견했다. 연구자들은 또한 설치류와 인간에게 과불소화합물(perfluorochemicals), 즉 적혈구 대체물로 작용하기를 바라는 중합체를 주입하려고 시도했지만 수혈이 열, 염증 및 저산소증을 유발한다는 사실을 발견했다.

 

인공 혈액에 대한 탐구는 성취되지 않은 채 남아 있었다.

실험실 배양 혈액에서 "피의 임파서블 버거(Impossible Burger)"까지

나노 기술, 생체 공학, 합성 화학 및 줄기 세포 연구의 발전에 힘입어 현대 연구자들은 신선한 혈액을 대체하기 위한 두 가지 뚜렷한 전략을 개발했다. 그들은 도살 없는 고기에 대한 다양한 접근 방식에 비유할 수 있다. 한편으로는 Beyond 또는 Impossible Burgers와 같은 동물성 제품 없이 고기를 연상시키도록 설계된 완두콩, 녹두, 쌀 또는 콩으로 만든 제품인 "고기 없지만 고기 같은" 캠프가 있다. 다른 한편으로는 생물 반응기에서 동물의 근육과 지방 세포를 배양하고 성장시켜 농장에서 기른 육류와 생물학적 및 화학적으로 동일한 육류를 생산하는 "재배 육류" 접근 방식이 있다.

 

첫 번째 방법인 혈액의 임파서블 버거(Impossible Burger of blood)는 전혈의 다양한 구성 요소를 역설계하거나 재포장하는 것을 목표로 한다. 예를 들어, 혈소판을 모방하기 위해 한 연구 그룹은 IV를 통해 투여된 출혈 부위에서 응고를 촉진할 수 있는 나노입자(특수 펩티드로 장식된 인공 지질 구체)를 조작했다. 산소가 풍부한 적혈구에 초점을 맞춘 다른 사람들은 정제된 인간 헤모글로빈을 인공 지질막으로 코팅하여 소체의 "자연스러운" 크기, 모양, 전하 및 표면 화학을 가진 생합성 복제본을 만들었다. 또 다른 그룹은 흐린 노란색 국물에서 2년 동안 실온에서 보관할 수 있는 분말로 동결 건조 플라즈마를 시도했다.

 

새로운 4,600만 달러 규모의 국방부 DARPA 프로젝트인 FSHARP는 멸균 식염수와 혼합될 때 혈액과 같은 형태가 되는 가볍고 휴대 가능하며 상온에서 안정한 분말을 생산하기 위해 이러한 접근 방식 중 몇 가지를 결합하는 것을 목표로 한다.

"기본적으로 '그냥 물을 추가하라'이다."라고 이 프로젝트의 공동 조사자이자 인공 적혈구를 개발하고 있는 KaloCyte의 공동 설립자이자 바이오제약 회사인 Haima Therapeutics의 과학 고문인 피츠버그 대학 외과의 Spinella는 말했다.

이 제품은 전쟁터, 유람선, 우주왕복선, 대량 사상자 사건을 위한 창고, 적절한 기증자 혈액 공급 및 보관을 위한 인프라가 부족한 지리적 지역과 같은 원격 환경에서 신선한 혈액을 전달하는 물류 장벽을 극복할 것이다. 연구원들은 5년에서 8년 이내에 이러한 접근 방식을 인간 실험으로 옮기기를 희망한다.

 

무균 환경에서 전혈을 배양하려는 과학자들은 "혈액 파밍(blood pharming)"이라고 불리는 관행을 지난 가을 처음으로 브리스톨, 케임브리지, 런던, NHS 혈액 및 이식의 연구원 및 협력자들이 약간의 수혈을 함으로써 큰 진전을 이루었다. 연구실에서 배양한 혈액 티스푼을 부작용이 보고되지 않은 두 명의 피실험자에게 주입했다.

 

혈액을 성장시키기 위해 연구자들은 마그네틱 비드를 사용하여 표준 헌혈에서 생존 가능한 줄기 세포를 추출한다. 그런 다음 약 5mm의 영양이 풍부한 배지에서 약 50만 개의 줄기 세포를 약 3주 동안 수십억 개의 적혈구로 배양한 다음 결과 물질을 여과하고 안전성을 테스트한다. 결국 이 실험에는 총 10명의 인간 피험자가 포함되며, 이들은 각각 6개월 간격으로 기증된 혈액과 동일한 인간 기증자의 세포에서 성장한 실험실에서 만든 혈액을 수혈받게 된다. 연구자들은 각 혈액형(기증 및 실험실 배양)이 체내에 얼마나 오래 머무르며 어떤 종류의 항체(있는 경우)가 면역 체계에서 유도되는지 주의 깊게 모니터링할 것이다.

가장 대담한 환상에서 약용 및 인공 낙관적 물질은 모두 기증자 혈액의 유용성을 모방할 뿐만 아니라 증대시킬 수 있다.

 

예를 들어 실험실에서 배양한 방법은 결국 희귀한 유형의 기증에서 여분의 혈액을 만들고 혈액 장애가 있는 사람들에게 효소나 치료제를 전달하기 위해 유전적으로 변형할 수도 있다고 브리스톨 대학의 세포 생물학 교수인 애쉬 토예(Ash Toye)는 말했다. 실험실 배양 혈액 시험. "내 비전은 혈액을 만드는 기계로 가득 찬 창고이다."라고 그는 말했다.

국방부 프로젝트에서 일하는 과학자들은 가루 혈액의 응고 및 산소 전달 능력이 환자의 고유한 생물학 및 의학적 필요에 따라 조정될 수 있다고 말했다. "맞춤형 맞춤 사용이 많이 있다."라고 이 프로젝트의 수석 조사자이자 메릴랜드 대학의 소아과 및 생명 공학 교수이자 학교 혈액 산소 수송 및 지혈 센터의 책임자이자 KaloCyte의 공동 설립자인 Allan Doctor는 말했다.

 

종양 전문의가 환자의 화학 요법을 암의 특정 유전학에 맞게 조정하는 것처럼 인공 혈액 전문가는 산후 출혈, 수술 전 준비 또는 장기 이식 관류에 이상적인 혼합물을 만들 수 있다.

"그것이 우리가 수혈에서 달성해야 하는 정밀 의학의 수준이다."라고 피츠버그 대학교 메디컬 센터의 응급 일반 외과 책임자이자 외상 및 수혈 의학 연구 센터의 공동 책임자, DARPA 조사관, Haima Therapeutics의 최고 의료 책임자인 외상 외과의 매튜 닐(Matthew Neal)은 말했다. 그러나 그들의 전임자와 마찬가지로 오늘날의 연구자들은 자연 혈액의 실용성과 성능을 능가하기 위해 고군분투하고 있다.

 

예를 들어 혈액 파밍은 효율성, 자원 및 시간 제약에 직면해 있다. 우선, 모집된 줄기 세포가 골수의 틈새 환경 밖에서 만들 수 있는 혈액의 양에는 한계가 있다. “시스템은 지금까지만 확장할 수 있다. 얼마나 성장할 수 있는지에는 한계가 있다.”라고 Toye는 말했다. "결국 당신은 그 줄기 세포를 고갈시킨다." 비용도 걸림돌이 된다. 기증자 혈액을 수집, 보관, 검사 및 처리하는 데 $80에서 $100 사이의 비용이 든다. 실험실에서 배양한 혈액은 생산하는 데 단위당 수천 달러가 들 수 있다고 전문가들은 말한다.

 

한편, 가루 혈액 접근법은 적혈구, 혈장 및 혈소판을 복제하거나 인위적으로 보존하기 위해 별도의 과학적 노력을 함께 엮을 필요가 있다. 모든 것이 바로 교향곡에서 작동할 가능성은 거의 없다고 닥터는 말했다. "우리가 조화롭게 작동하는 방식으로 만들 가능성은 제로이다."라고 그는 말했다. "'나는 최고의 열쇠를 만들었고 당신은 최고의 자물쇠를 만들었다'고 말하는 것과 같다. 그들이 함께 맞을 가능성은 얼마나 될까?"

아직까지 엄격한 동물실험과 임상실험을 통해 효능과 안전성이 입증되지 않은 인공혈액 제제가 대중에게 공개되려면 시간이 좀 걸릴 것이다. 그러나 이러한 프로젝트는 윤리적, 사회적, 법적 문제도 많이 제기한다고 케이스 웨스턴 윤리학자인 섀넌 E. 프렌치(Shannon E. French)는 말했다.

 

인공 혈액의 최종 버전에는 일부 종교나 철학에서 소비를 용납하지 않는 동물성 제품이 포함될까? 혈액에 대한 접근을 균등화하는 데 도움이 될까?, 아니면 가장 부유한 국가만이 접근할 수 있는 혁신적인 제품으로 남을까? 프로젝트에 대한 국방부의 관심을 감안할 때 부상자를 치료하기 위해 혈액을 쉽게 사용할 수 있다는 것을 알면서 군대가 군대를 외딴 지역이나 적대적인 지역으로 더 멀리 보내도록 장려하는 도덕적 해이를 만들 수 있을까? 과학이 모두 존재하더라도 과학이 사회를 형성하는 방식은 예측할 수 없다. 프렌치는 "그것이 해야 할 일을 잘하지 못할 수도 있다"고 말했다.

 

현재로서는 합성 혈액 연구자들은 대체 혈액이 최소한 실제만큼 우수해야 한다는 피할 수 없는 사실에 직면해야 한다. 그리고 그것은 클리어해야 할 높은 기준이 될 것이라고 Sen Gupta는 말했다. "자연을 모방하는 것은 쉽지 않다."