Parabolic flight-induced gravity variations initiate acute functional and transcriptional responses in cardiac organoids

중력은 지구상의 생명체를 형성하는 보이지 않는 손입니다. 중력은 우리 몸을 아래로 누르며, 체액을 발 쪽으로 끌어당기고 심장이 끊임없이 익숙한 무게에 맞서 작동하게 합니다. 우주비행사들이 이 환경을 떠나 우주의 미세중력 상태로 들어가면, 그 압력이 사라집니다. 지속적인 끌림이 있는 세상에 맞춰 진화한 그들의 신체는 갑작스러운 무중력 상태에 적응해야 합니다. 이러한 변화는 체액을 머리와 가슴 쪽으로 쏠리게 하여, 심장이 펌프질을 하고 혈액이 순환하는 방식을 변화시킵니다. 과학자들은 몇 주 또는 몇 달 동안 우주에 머문 후 인체가 어떻게 변하는지를 오랫동안 연구해 왔지만, 이러한 전환의 바로 그 첫 순간들은 여전히 미스터리로 남아 있습니다. 우리는 신체가 결국 적응한다는 사실은 알고 있지만, 중력이 변하는 순간 심장 세포에 리듬을 바꾸라고 명령하는 즉각적인 신호가 무엇인지는 완전히 이해하지 못하고 있습니다.

이러한 찰나의 순간을 포착하기 위해 연구진은 독특한 실험실인 포물선 비행(parabolic flight)을 활용했습니다. 이는 비행기가 가파르게 상승했다가 급강하하며, 짧은 무중력 상태와 강한 중력이 교차되는 구간을 만들어내는 특정한 비행 경로입니다. 이는 대기권을 벗어나지 않고도 우주의 변화하는 힘을 시뮬레이션할 수 있는 지상 기반의 방법입니다. 최근의 한 연구에서 과학자들은 이 방법을 사용하여 작고 3차원적인 심장 세포 클러스터가 이러한 급격한 변화에 어떻게 반응하는지 관찰했습니다. 그들은 심장이 중력 변화를 몇 분 내에 감지하고 반응할 수 있는지, 만약 그렇다면 세포 내부에서 이를 수행하기 위해 어떤 분자적 메시지가 전달되는지를 알고 싶었습니다.

연구팀은 마우스 배아 줄기세포로부터 이 심장 클러스터, 즉 심장 오가노이드를 배양했습니다. 이것들은 단순한 평면 형태의 세포 층이 아니라, 실제 심장의 구조를 모방하여 박동 리듬과 액체를 펌프질하는 능력을 갖춘, 스스로 조직화된 작은 구형체입니다. 연구진은 이 오가노이드들이 서로 다른 성숙 단계에 도달할 때까지 며칠 동안 성장시켰습니다. 어떤 것들은 젊고 이제 막 박동을 시작하는 단계였고, 어떤 것들은 더 발달하여 안정적으로 박동하고 있었습니다. 그 후 연구진은 이 살아있는 샘플들을 에어버스 A310 항공기에 싣고 비행하였으며, 비행기는 31번의 포물선 기동을 수행했습니다. 각 기동은 지구 중력의 거의 두 배에 달하는 기간 사이에 끼어 있는 약 22초간의 무중력 사이클을 만들어냈습니다.

비행기가 착륙하자마자 과학자들은 심장 오가노이드를 즉시 조사했습니다. 그들은 비행에 참여한 샘플을 지상에서 정상적인 중력 상태로 유지된 동일한 샘플과 비교했습니다. 결과는 심장 세포들이 비행 중에 단순히 수동적으로 머물러 있는 것이 아니라, 충분히 성숙했을 경우 빠르게 반응했다는 것을 보여주었습니다. 발달이 시작된 지 불과 3일밖에 되지 않은 어린 오가노이드들은 행동의 변화를 보이지 않았습니다. 그러나 8일 및 9일 된 더 성숙한 오가노이드들은 비행 직후 박동 속도가 급격히 증가하는 반응을 보였습니다. 심박수는 거의 30% 가까이 뛰어올랐습니다. 이러한 빠른 리듬과 함께, 세포가 칼슘(근육 수축에 필수적인 화학 신호)을 다루는 방식 또한 변했습니다. 칼슘 신호는 더 강해졌고 더 오래 지속되었는데, 이는 세포가 변화하는 중력 속에서 리듬을 유지하기 위해 더 열심히 일하고 있음을 시사합니다.

심장의 물리적인 박동은 변했지만, 오가노이드의 형태는 변하지 않았습니다. 그것들은 동일한 크기와 구조를 유지했는데, 이는 우주 비행사들이 장기 임무 후에 겪는 심장 근육 위축과 같은 극적인 변화가 이러한 즉각적인 변화보다는 장기적인 노출의 결과임을 나타냅니다. 진짜 놀라운 점은 연구진이 세포 내부의 유전적 지침을 살펴보았을 때 나타났습니다. 비행은 심장 근육의 강도나 기본 대사와 관련된 유전자들을 촉발하지 않았습니다. 대신, 이전에는 중력 변화와 이런 방식으로 연결된 적이 없었던 특정 6개의 유전자 세트를 활성화했습니다.

가장 활발했던 유전자는 세포 내부의 칼슘 수치를 관리하는 데 도움을 주는 S100g라는 단백질을 생성하는 유전자였습니다. 활성화된 다른 유전자들은 세포의 에너지 공장인 미토콘드리아가 기능하는 방식, 그리고 세포가 스트레스와 염증을 처리하는 방식과 관련되어 있었습니다. 이는 심장이 중력 변화를 감지하고 변화하는 내부 화학 물질에 대처하기 위해 즉각적으로 조정하는 내장된 경보 시스템을 갖추고 있음을 시사합니다. 연구는 이러한 변화가 비행기의 진동이나 소음 때문이라는 증거를 찾지 못했는데, 지상의 대조군 샘플들 역시 중력 변화 없이 유사한 취급을 받았기 때문입니다. 그러나 연구진은 실험 기간이 짧았기 때문에 이러한 변화가 장기적인 손상이나 적응으로 이어질지 확인할 수 없었으며, 실제 우주 비행 시 우주비행사들이 직면하는 방사선과 같은 다른 요인들을 배제할 수도 없었다고 언급했습니다.

이 연구는 심장이 우주에 적응하기 시작하는 매우 초기 단계에 대한 새로운 창을 제공합니다. 이 박동하는 작은 심장 모델을 포물선 비행에 활용함으로써, 연구팀은 심장의 중력에 대한 반응이 즉각적이며 심장 조직의 성숙도에 달려 있다는 것을 입증했습니다. 이러한 특정 유전자의 발견은 과학자들이 연구할 수 있는 새로운 표적 목록을 제공하며, 잠재적으로 미래의 장기 우주 임무 동안 우주비행사의 심장을 보호하는 방법을 이해하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 이는 우주비행사가 우주의 영향을 느끼기도 전에, 그들의 심장 세포가 이미 신호를 보내고 중력이 더 이상 상수가 아닌 세상에 맞춰 내부 기계 장치를 조정하고 있음을 보여줍니다.