《Rejuvenation Research》 제11권 제2호, 2008년

크라이오닉스 실천의 과학적 근거

크라이오닉스 연구소를 위해 벤저민 P. 베스트 작성^*

초록

매우 낮은 온도는 조직을 수 세기 동안 보존할 수 있는 조건을 만든다. 여기에는 인간 정신의 신경학적 토대도 포함될 수 있다. 유리화라는 과정을 통해 뇌 조직을 얼음이 형성되지 않도록 하면서 극저온까지 냉각할 수 있다. 이 과정에 수반되는 손상은, 예측 가능한 특정 기술을 이용한 회춘이 이론적으로 가능하다는 것과 같은 의미에서 이론적으로 복구할 수 있다. 혈류 정지에 따른 뇌 손상은 복잡한 일련의 과정에서 비롯되며, 그 과정이 완료되기까지는 일반적인 소생 기술의 한계로 여겨지는 6분보다 훨씬 긴 시간이 걸린다는 사실이 이제 알려져 있다. 6분이 지난 뒤의 재관류는 주로 뇌 조직보다 혈관을 손상시킨다. 신경세포의 세포자멸사가 진행되는 데는 여러 시간이 걸린다. 따라서 법적 사망과 되돌릴 수 없는 생명의 상실 사이에는 인간과 동물을 미래의 소생 가능성을 기대하며 극저온 보존할 기회의 시간이 존재한다. 이상적인 조건에서는 임상적 사망이 시작된 때부터 크라이오닉스 절차를 시작하기까지의 시간을 1분 미만으로 줄일 수 있지만, 훨씬 오래 지연되더라도 궁극적인 생존 가능성과 양립할 수 있다. 크라이오닉스가 효과를 낼 수 있다는 증거는 간접적이지만, 과학의 많은 분야에서 간접 증거는 필수적이다. 미래의 어느 시점에 노화로 생긴 복잡한 변화를 되돌릴 수 있다면, 혈류 정지와 극저온 보존으로 생긴 비슷하게 복잡한 변화도 되돌릴 수 있을 것이다. 이는 현재의 의학으로 해결할 수 없는 의료적 필요가 있는 사람들의 생명을 구하는 결과로 이어질 수 있다.

*미국 미시간주 클린턴타운십, 크라이오닉스 연구소.

크라이오닉스 개요

크라이오닉스는 미래 과학이 인간과 동물을 건강한 생존 상태로 회복시키고 젊게 만들 수 있으리라는 희망으로 이들을 극저온에 보존하는 실천이다. 현재 크라이오닉스는 대상자의 법적 사망이 선고된 뒤에만 시행할 수 있다.

크라이오닉스 실천의 과학적 근거는 몇 가지 핵심 개념에 기반한다.

크라이오닉스가 아직 입증되고 공인된 의료 절차가 아니므로, 크라이오닉스 절차를 시작하기 전에 법적 사망 선고가 필요하다. 법적 사망 뒤에는 크라이오닉스 팀이 즉시 보존 절차를 시작할 수 있다. 이 절차의 목적은 심정지 이후 조직 구조의 변화를 최소화하면서 대상자를 −120°C 미만으로 냉각하는 동안 조직을 보호하는 것이다.

첫 단계에서는 기계적인 방법으로 대상자의 혈액순환과 호흡을 다시 지원하고, 보호 약물을 투여하며, 체온을 10~0°C로 신속하게 낮춘다. 이어 혈액을 씻어 내고 체내 수분의 상당 부분을 동결보호제 혼합액으로 대체하여 얼음 형성을 막는다. 대상자를 −120°C 미만으로 냉각해 극저온 보존 상태로 유지한다. 미래의 의학에 그럴 능력이 생긴다면 대상자를 다시 가온하고, 동결보호제를 제거하고, 조직을 복구하고, 질병을 치료하며, 필요하다면 젊게 만들 것이다.

냉각

냉장고와 냉동고에서 식품을 보존하는 것은 온도를 낮춰 생화학적 분해 속도를 줄인다는 원리에 기반한다. 대사율을 낮추고 궁극적으로 화학적 과정을 사실상 멈추게 하는 냉각은 크라이오닉스의 핵심이다. 사망 선고 직후의 초기 냉각에서는 대상자를 얼음물 욕조에 넣는다. 기계적으로 능동 압박과 감압을 하는 심폐 지원도 흐르는 혈액의 열전달을 통해 냉각을 빠르게 한다.

크라이오닉스 대상자는 전도와 유체의 움직임이 결합된 대류 방식으로 냉각된다. 대류에서는 빠르게 순환하는 액체나 기체가 고체 물체, 여기서는 크라이오닉스 대상자의 표면 전도층에서 열을 실어 나른다. 대상자를 체온 37°C에서 10°C로 낮출 때 얼음물을 빠르게 순환시키는 방식은 대류 효과 때문에 얼음팩이나 고여 있는 물을 사용하는 방식보다 훨씬 효과적이다.

대류를 지배하는 식은 뉴턴의 냉각 법칙이다. 이 법칙에서 열전달률은 hA(T_s − T_f)와 같다. T_s는 시작 온도, 즉 대상자의 머리나 몸의 온도이고, T_f는 냉각 매체인 얼음물 또는 차가운 질소 기체 등의 온도다. A는 고체의 표면적이며, h는 유체의 흐름 속도와 냉각 매체의 열전도율 및 열용량에 따라 달라지는 변수다. 유체가 더 빨리 움직이고 열전도율이 높을수록 h가 커진다. 뉴턴의 냉각 법칙에 따르면 T_s가 T_f보다 훨씬 높은 냉각 초기에 냉각 속도가 가장 빠르며, 이후에는 지수적으로 감소한다.

온도를 낮추면 되돌릴 수 없는 손상이 발생하기 전까지 혈류 없이 버틸 수 있는 시간을 상당히 늘릴 수 있다. 특히 어린이를 포함한 많은 사람이 차가운 물에 빠지는 등 저체온 사고를 겪은 뒤 20분에서 1시간 이상 심정지 상태에 있었음에도 신경학적으로 완전히 회복한 사례가 보고되었다^1,2. 냉각은 대사율을 극적으로 낮출 수 있다.

저빌의 뇌 온도를 37°C에서 31°C로 낮추면 신경세포 50%에 손상을 일으키는 데 필요한 허혈 시간이 지수적으로 늘어난다는 사실이 확인되었다³. 고막 온도가 10°C인 실험용 저체온 개 여섯 마리 모두 90분의 심정지 뒤에도 신경학적 손상이 없었으며, 일곱 마리 가운데 두 마리는 120분을 견디고도 뚜렷한 신경학적 손상이 없었다⁴. 인간도 대동맥 수술에서 한 시간 넘게 심부 저체온 순환정지 상태에 놓였지만 뚜렷한 신경학적 결손이 나타나지 않았다. 대상자들은 16~24°C에서 완전한 대뇌 전기활동 정지, 즉 뇌파의 이중분광 지수 0에 도달했다⁵. 이후 신경학적 결손 없이 다시 가온되었다. 이는 역동적인 뇌 활동이 사라졌다가 돌아와도 개인의 정체성을 잃지 않을 수 있음을 확인해 준다.

허혈 손상에 대한 저체온 보호가 영하의 온도까지 확장되는 사례로 북부 산개구리 (Rana sylvatica)가 있다. 이 개구리는 −3~−6°C의 반동결 상태에서 심장 박동 없이 몇 달을 살다가 다시 가온되면 완전히 회복할 수 있다⁶. 1966년에는 일본 연구자가 −20°C로 냉각한 고양이 뇌에서 얼음 형성을 줄이기 위해 혈액을 글리세롤로 치환했다. −20°C에서 혈액순환 없이 45일이 지난 뒤 회복시킨 고양이 뇌에서는 정상으로 보이는 뇌파 활동이 나타났다⁷.

대사와 허혈성 손상의 과정을 포함한 화학반응의 반응 속도(k)와 온도(T)의 관계는 아레니우스 방정식으로 설명할 수 있다⁸.

여기서 T의 단위는 켈빈이고, E_a는 활성화 에너지, R은 보편기체상수(8.314줄/몰·켈빈), A는 빈도인자다. 빈도인자는 분자 충돌의 빈도와 충돌이 반응에 유리한 방향으로 일어날 확률에 관련된다. 이 식의 양변에 자연로그를 취하면 다음과 같다.

서로 다른 두 온도 T₁과 T₂에는 각각 온도에 따른 반응 속도 k₁과 k₂가 대응한다.

ln k₁에서 ln k₂를 빼면 네 변수에 대한 하나의 식이 나온다.

이를 간단히 하면 다음과 같다.

여러 온도에서 효소의 반응 속도를 보면 온도와 대사율의 관계를 가깝게 추정할 수 있다. 토끼 근육의 젖산탈수소효소는 활성화 에너지 E_a가 1몰당 13,100칼로리이므로 대표적인 효소로 삼을 수 있다⁹. 열화학적 1칼로리를 4.184줄로 환산하면 1몰당 54,810줄이다.

젖산탈수소효소의 40°C(313K, T₁) 반응 속도 k₁과 30°C(303K, T₂) 반응 속도 k₂를 비교하면 다음과 같다.

40°C의 반응 속도는 30°C의 거의 정확히 두 배다. 반대로 온도를 10°C 낮추면 반응 속도가 거의 절반이 된다. 이는 0~40°C에서 온도가 10°C 낮아질 때마다 반응 속도가 2분의 1에서 3분의 1로 감소한다는 경험칙인 Q₁₀ 법칙과 일치한다¹⁰.

온도가 내려갈수록 반응 속도가 지수적으로 감소한다는 것은, 극저온인 −100°C 아래에서도 화학반응이 가능하다고 가정하더라도 그 속도가 무한히 작아질 것임을 뜻한다. 다음 표는 앞의 식으로 계산하여 정상 체온인 37°C(310K)의 반응 속도와 더 낮은 온도의 반응 속도를 비교한 것이다.

젖산탈수소효소의 반응 속도가 대사 전반을 대표한다면 37°C에서의 대사는 0°C보다 18배 빠를 것이다. 실제 실험에서는 4°C에서의 산화적 인산화 속도가 37°C의 약 20분의 1로 관찰되었다¹¹. 이는 방금 계산한 값과 대체로 일치한다.

체온에서의 반응 속도가 −196°C보다 9 × 10²⁷배 빠르다는 것은 낮은 온도에서는 수천 년 동안 사실상 반응이 일어나지 않는다는 뜻이다. 이 속도라면 37°C에서 6분 동안 일어나는 허혈성 생화학 반응이 액체질소 온도에서 일어나려면 10²³년이 걸린다. 그러나 이런 수치조차 낮은 극저온의 화학적 비활성을 과소평가한다. 아레니우스 방정식은 정상적인 화학반응이 가능한 액체나 기체 매질을 전제로 하기 때문이다. −130°C 미만에서는 유리화된 포유류 조직도 고체 상태이며 점도가 10¹³푸아즈를 넘는다^12,13. 이는 20°C 물의 점도보다 약 10¹⁵배 높다¹⁴. 그 결과 확산 속도는 지질학적 시간 규모에서도 무시할 만큼 작다. 액체질소 온도에서 포유류 조직은 수 세기 동안 배경 방사선에 대해서도 안정적일 것이다¹².

포유류 조직을 동결하면 보통 세포 안에 얼음이 생겨 세포가 터진다고 생각하는 것은 오해다. 포유류 조직을 냉각하면 물이 삼투 작용으로 세포 밖으로 빠져나와 순수한 물로 된 세포외 얼음 결정을 만든다. 얼지 않은 용액에는 독성 전해질의 농도가 점점 높아진다. 결국 세포외 얼음이 충분히 형성되어 남아 있는 비동결 통로의 세포를 짓누른다¹². 느린 냉각 중 얼음 형성 뒤의 손상이 기계적인 압박 때문인지 독성 전해질 때문인지는 저온생물학자 사이에서 여전히 논쟁의 대상이다¹⁵. 크라이오닉스는 동결을 줄이거나 없애려는 노력에 기반한다.

유리화와 극저온 보관

크라이오닉스에서는 전통적으로 글리세롤 같은 동결보호제를 대상자에게 관류해 얼음 형성을 최소화하려고 오랫동안 노력해 왔다. 2007년 기준으로 동결보호제 관류를 수행하는 주요 크라이오닉스 단체 두 곳인 알코어 생명연장재단과 크라이오닉스 연구소는 유리화 용액을 사용해 뇌의 얼음 형성을 없앴다고 주장한다. 다만 다른 장기나 조직에 대해서는 그렇게 주장하지 않는다^16,17.

유리화는 얼음의 결정 상태와 다른 비정질, 즉 유리 같은 상태로 굳는 것이다. 호박은 잘 알려진 유리질의 비정질 고체다. 순수한 물도 초당 300만 켈빈보다 느리지 않게 냉각하면 유리화할 수 있지만¹⁸, 그 속도는 동물 조직에 적용하기 어렵다. 자당을 충분히 빠르게 냉각하면 ‘솜사탕’처럼 유리화되지만, 천천히 냉각하면 ‘막대사탕’ 같은 결정이 생긴다. 자당에 옥수수 시럽을 첨가하면 천천히 냉각해도 막대사탕에 쓰이는 비결정성 고체가 된다. 이산화규소도 빠르게 냉각하면 유리질 실리카가 되고 천천히 냉각하면 결정형인 석영이 된다. 일반적인 유리 제품과 창유리는 이산화규소에 나트륨 및 칼슘 산화물을 첨가해 만든다. 이렇게 생긴 용융액은 점도가 점점 높아지는 시럽처럼 천천히 냉각되면서 비정질 고체가 될 수 있다. 녹는점 또는 응고점에서 액체가 고체 결정으로 변하는 상전이가 없으면, 냉각 속도에 따라 정해지는 유리전이온도(T_g)에서 점도가 크게 증가해 고체처럼 된다.

저온생물학에서 가장 자주 사용하는 동결보호제로는 디메틸설폭사이드(DMSO)와 다가알코올인 에틸렌글리콜(자동차 부동액), 프로필렌글리콜 (한때 아이스크림의 얼음 결정 감소에 사용), 글리세롤(1950년대부터 정자와 혈액세포의 저온보존에 사용)이 있다. 이 화합물들은 모두 물과 수소결합을 하여 물 분자가 얼음으로 배열되는 것을 막을 수 있다. 또한 총괄성에 따른 간섭으로 물 분자가 얼음 격자를 만드는 것을 방해한다. 동결보호제 혼합물은 단일 동결보호제보다 독성이 낮을 수 있고 얼음 형성을 완전히 없앨 수도 있다. 유리화 혼합액에 얼음 결정 성장을 화학적으로 막는 부동 단백질 같은 비동결보호 물질, 즉 얼음 형성 억제제를 사용하면 유리화에 필요한 농도와 독성을 더욱 낮출 수 있다¹⁹.

얼음 형성을 없앨 만큼 동결보호제 농도를 높이면서도 독성을 최소화하기 어렵다는 점이 생물학적 체계를 저온보존한 뒤 더 잘 회복하지 못하게 하는 제한 요인이었다. 빠르게 냉각하면 더 낮은 농도로도 얼음 형성을 막을 수 있지만, 조직이 커질수록 빠른 냉각은 더 어려워진다. 동결보호제 독성은 온도와 반대 방향으로 변하므로, 점도가 낮은 혼합액으로 조직 침투를 빠르게 하면 냉각 전 높은 온도에서 조직이 동결보호제에 노출되는 시간을 줄일 수 있다.

동결보호제 독성을 설명하는 여러 가설이 제시되었지만 정확한 분자적 기전은 여전히 밝혀지지 않았다²⁰. 동결보호제가 분자를 파괴하지 않는 한 그것이 일으키는 손상이 복구 불가능한 것은 아닐 수 있다. 게다가 유리화 혼합액의 독성을 낮추는 데 상당한 성과가 있었으며^21,22, 독성을 더 낮출 수 없다고 생각할 이유도 없다.

장기 유리화를 시도하는 연구자들이 가장 많이 연구한 포유류 장기는 난소다. 여러 종의 난소에서 다양한 정도의 성공을 거두었으며, 그중 가장 좋은 결과는 생쥐 난소에서 얻었다. −196°C에서 유리화해 보존한 생쥐 난소를 다시 가온했을 때 살아 있는 새끼가 태어나는 비율은 신선한 난소의 비율과 비슷했다²³.

쥐 해마 절편 연구에서는 −130°C까지 냉각해 고체 상태로 유리화한 절편도 재가온 후 생존 능력이 유리화나 저온보존을 하지 않은 대조군 절편과 비슷할 수 있음을 보였다. 재가온한 절편의 CA1 영역, 즉 뇌에서 허혈 손상에 가장 취약한 영역의 미세구조는 대조군 CA1 조직과 비교해 상당히 잘 보존되어 있었다²⁴. 크라이오닉스 단체들은 뇌가 포화될 때까지 유리화 용액을 관류한다.

유리화하고 저온보존한 조직은 미세구조뿐 아니라 생존 능력도 평가한다. 세포 내 K⁺/Na⁺ 비율은 흔히 쓰이는 생존 능력 평가 방법이지만, 앞으로는 세포 내 ATP 함량 측정 같은 다른 방법도 유용할 수 있다. 막전위를 유지하는 나트륨 펌프는 세포막 안쪽의 ATP와 Na⁺, 바깥쪽의 K⁺가 결합하지 않으면 작동하지 않는다. 기능하는 나트륨 펌프가 없어도 세포는 몇 시간 동안 막전위를 유지할 수 있다. 그러나 Na⁺가 세포 안으로 서서히 들어오고 이에 따라 K⁺가 밖으로 빠져나가면 몇 시간 뒤 막전위를 완전히 잃는다. 마찬가지로 세포가 미토콘드리아에서 에너지인 ATP를 더는 만들 수 없는 의미에서 죽으면 나트륨 펌프도 멈춘다. 따라서 정상적인 세포 내 K⁺/Na⁺ 비율은 나트륨 펌프가 작동하고 세포막이 온전함을 나타낸다.

세포 내 K⁺/Na⁺ 비율을 검사할 때는 조직을 만니톨에 넣어 세포 밖의 이온을 씻어 낸다. 이어 트리클로로아세트산으로 세포막을 파열시켜 세포 안의 이온을 방출한다. 화염광도계나 원자흡수분광계로 나트륨과 칼륨 이온의 상대 농도를 측정할 수 있다. 이 비율을 이용한 유리화 해마 절편의 생존 능력 연구에서는 정상 대비 90%를 넘는 생존 능력이 나타났다²⁴.

토끼 신장을 유리화해 −135°C까지 냉각하고 다시 가온한 뒤 토끼에게 이식한 사례가 있다. 이식된 신장은 유일한 신장으로서 토끼가 계속 살아갈 만큼 잘 기능했다²⁵. 어떤 사람은 뇌를 저온보존하려면 뇌 기능을 이해하는 일이 필수라고 생각한다. 간단히 말하면 신장은 소변을 만들고 뇌는 의식을 만든다. 가온 후 생리 기능이 회복된 뇌가 의식을 만들어 내는 능력은, 가온한 유리화 신장이 소변을 만들어 내는 능력보다 못할 이유가 없다. 어떤 장기나 조직이든 구조를 보존하고 생리 기능을 회복하면 그 기능도 회복될 것이다.

토끼 신장 보존에 사용한 유리화 혼합액은 M22다. 크라이오닉스 단체 알코어는 대상자의 유리화에 M22를 사용한다. 토끼에게 M22를 관류하면 얼음 형성 없이 뇌의 미세구조를 보존할 수 있다는 결과가 나왔다²⁶.

얼음 형성 가능성을 최소화하려면 0°C에서 −130°C까지 빠르게 냉각해야 한다. 반면 −130°C에서 −196°C까지 냉각할 때는 큰 유리화 고체 표본의 열응력이 균열과 파손을 일으킬 수 있다²⁷. 이론상 균열이 생기지 않을 만큼 천천히 −196°C까지 냉각할 수 있어야 하지만, 필요한 속도는 알려져 있지 않으며 실제로 적용하기에는 지나치게 느릴 수 있다. 유리화 표본을 유리전이온도 부근에서 어닐링하면 열응력을 줄일 수 있지만²⁸, 충분하지 않을 수도 있다. 균열 손상은 형태가 더 뚜렷하게 정해져 있으므로 동결 손상보다 훨씬 수리하기 쉬울 수 있다.

‘되돌릴 수 있는 죽음’인가?

1950년대까지만 해도 심장이 멈추면 죽음은 되돌릴 수 없다고 믿었다. 오늘날에는 심폐소생술(CPR)과 자동심장충격기(AED)를 함께 사용하면 심정지로 임상적 사망 상태에 빠졌던 많은 사람을 되살릴 수 있다는 사실이 확립되었다²⁹. 하지만 혈액순환이 없는 심정지가 약 6분을 넘으면 이미 회복 불가능한 뇌 손상이 일어난다는 믿음은 여전히 널리 퍼져 있다.

1976년 ‘심폐소생술의 아버지’ 피터 사파는 동맥압을 높이고 노르에피네프린과 헤파린을 사용하며 덱스트란 40으로 혈액을 희석하면 개가 12분의 심정지를 겪고도 신경학적 손상을 입지 않을 수 있음을 보였다³⁰. 십여 년 뒤의 실험에서는 고양이에게 1시간의 전뇌 허혈을 유발한 뒤 재관류하고 노르에피네프린 또는 도파민, 헤파린, 인슐린, 산증 완충제로 치료했을 때 절반에서 자발적인 뇌파 활동이 돌아왔다. 집중치료를 받은 고양이 15마리 중 6마리가 자발 호흡을 되찾았고, 그중 1마리는 경미한 운동실조 외에는 정상적인 신경 기능으로 1년을 살았다³¹. 6분이라는 한계는 주로 신경학적 현상이 아니다. 혈관 저항이 증가하는 문제이며, 관류압을 높여 부분적으로 극복할 수 있다³².

재관류 손상은 약 20분 이상 허혈이 지속된 뒤 혈류를 회복할 때 발생하는 조직 손상을 뜻한다. 허혈이 지나치게 오래 이어진 뒤 혈액이 다시 공급되면 염증 과정이 시작되고, 산소가 초과산화물 같은 독성 자유라디칼, 즉 활성산소종을 만든다³³. 잔틴 산화효소가 만든 초과산화물은 실질 조직보다 혈관 내피를 훨씬 심하게 손상시킨다³⁴. 재관류 때처럼 염증이 있는 상태에서는 유도성 일산화질소 합성효소가 일산화질소 농도를 정상의 수천 배로 높일 수 있다³⁵. 재관류 중 비정상적으로 많은 초과산화물은 존재하는 일산화질소의 거의 전부를 퍼옥시나이트라이트로 바꾼다. 이 물질이 뇌 모세혈관 내피세포 손상의 대부분을 일으키는 것으로 여겨진다³⁶.

흥분독성의 손상 효과에도 불구하고³⁷, 사망 후 뇌 구조는 흔히 생각하는 것보다 훨씬 오래 유지된다. 뇌피질 혈류를 차단한 쥐에서는 6시간 뒤 괴사한 신경세포가 15%에 불과했다. 대부분의 신경세포인 65%는 혈류가 멈춘 뒤 12시간이 지나서야 괴사했다³⁸. 사망 후 평균 2.6시간에 부검한 노인들의 뇌에서 분리한 신경세포는 시험관에서 2주가 지난 뒤에도 70~90%의 생존 능력을 보였다³⁹.

오늘날 6분을 넘는 심정지가 신경학적 손상으로 이어지는 이유 중 하나는 허혈이 신경세포의 자기 파괴 과정인 세포자멸사를 시작시키기 때문이다. 이 과정이 완료되는 데는 여러 시간이 걸린다. 그러나 이를 방해할 수 있는 치료법이 등장하고 있다. 해마 CA1 영역의 신경세포는 뇌의 다른 부위보다 허혈 뒤 괴사에 훨씬 취약하다⁴⁰. 하지만 세포자멸사 과정을 멈추는 카스파아제 억제제를 사용하면 허혈 후 해마의 세포 사멸을 상당히 줄일 수 있다⁴¹. 카스파아제 억제제는 극저온에서 재가온한 저온보존 조혈세포의 세포자멸사를 차단하는 데도 사용되었다⁴². Bcl-2 단백질군의 세포자멸사 촉진 인자와 결합하는 Bag-1 단백질은 허혈·재관류 손상을 겪은 쥐의 간에서 강력한 항세포자멸사 효과를 보였다⁴³.

대다수 신경과학자는 정신의 해부학적 토대가 뇌의 물리적 구조, 특히 신경망의 연결과 시냅스 강도⁴⁴, 그리고 어쩌면 신경세포의 후성유전학적 구조⁴⁵에 담겨 있다는 데 동의한다. 뇌의 전기적 활동이 완전히 없어져도 신경 기능을 완전히 회복할 수 있다는 사실^5,46은 의식의 궁극적인 토대가 역동적인 활동보다 구조에 있으며, 따라서 극저온에서 보존될 수 있다는 주장을 뒷받침한다.

뇌에 정보가 중복 저장된다는 점과 관련이 있을 수 있는데, 뇌졸중 뒤에도 대뇌피질 기능이 상당히 회복될 수 있다^47,48,49. 신경줄기세포 이식 치료는 허혈, 독소, 저온보존 손상으로부터 뇌가 회복하는 능력을 더 높일 잠재력이 있다⁵⁰. 이런 점을 고려하면 최적이 아닌 조건에서 극저온 보존된 사람을 회복시키는 데 허용될 수 있는 손상 정도도 더 커진다.

뇌 구조의 보존과 뇌 기능의 회복은 크라이오닉스에 필수적이다. 다른 장기와 조직은 그만큼 중요하지 않다. 미래 의학은 인공장기를 만들거나 줄기세포로 조직을 재생하는 일을 비교적 쉽게 해낼 수 있을 것이기 때문이다. 도롱뇽의 사지 재생은 이미 포유류 재생의학의 지침으로 쓰이고 있다⁵¹. 생분해성 3차원 편조 섬유 지지체는 장기, 나아가 몸 전체를 만드는 데 활용될 가능성이 있다⁵².

보수적인 크라이오닉스는 손상을 최소화하고 미래의 분자 수리 기술에 의존하는 정도를 줄이려고 노력한다. 많은 대상자에서는 심정지 후 1분이 채 지나기 전에 순환이 회복되었다. 정신의 신경학적 토대가 6분이라는 한계보다 훨씬 오래 보존된다는 증거는 즉각적인 처치를 받지 못한 대상자도 세포자멸사를 되돌리고 손상된 혈관을 수리하는 분자의학으로 회복할 수 있으리라는 희망을 준다. 혈액순환이 없는 상태로 6분이 지났다고 크라이오닉스가 아무 의미도 없어질 가능성은 낮다. 심장이 멈출 때도 많은 조직은 살아 있으며, 조직이 죽는 데는 몇 시간이 걸린다.

최상의 조건에서는 대상자의 뇌에 얼음이 사실상 형성되지 않는다. 허혈 손상이 거의 없었던 유리화 뇌 조직은 극저온보다 높은 온도에서 질병 치료 및 회춘과 함께 수리할 수 있을 것이다.

삶과 죽음 사이에 명확한 선을 그어야 하는 타당한 법적 이유는 있지만, 생물학적·심리학적 현실은 둘 중 하나로 나뉘는 상태가 아니라 연속체를 가리킨다. 의식은 배아에서 태아, 어린이, 성인으로 성장하면서 점차 나타나고, 신경퇴행성 질환에서는 점차 줄어들 수 있다. 심장이 멈춘 뒤 정신의 해부학적 토대인 뇌는 온도에 따른 속도로 수시간에서 수일에 걸쳐 분해된다. 의식이 이분법적인 성질이 아니라는 점은 뇌 일부가 파괴되었다가 수리된 크라이오닉스 대상자가 되살아나 부분적인 기억상실과 원래 정체성의 부분적인 회복을 보일 때에도 드러날 것이다.

크라이오닉스 절차

말기 상태인 크라이오닉스 대상자의 허혈·재관류 손상을 줄이기 위해 사전 처치를 하는 편이 바람직하지만, 실제로는 너무 드물게 시행된다. 예를 들어 허혈 30분 전에 알파 토코페롤 형태의 비타민 E를 20mg/kg 정맥 주사하면 지질 과산화와 신경학적 손상이 상당히 줄어든다는 결과가 있다⁵³. 알파 토코페롤과 감마 토코페롤을 모두 포함하는 편이 더 좋다. 감마 토코페롤은 퍼옥시나이트라이트를 제거하지만 알파 토코페롤은 그렇지 않기 때문이다⁵⁴. 비타민 E 사전 처치는 혈액 응고를 줄이는 추가적인 이점도 있고, 아스피린에 수반되는 위출혈 위험은 없다. 많은 생선기름, 특히 연어기름도 심정지 위험을 줄이는 것에 더해 같은 이점을 제공한다⁵⁵. 크라이오닉스 대상자에게 혈액 응고 감소는 보통 큰 이점이다. 하지만 수술받는 환자에게는 과다 출혈의 위험 때문에 비타민 E와 생선기름이 금지될 수도 있다.

크라이오닉스 절차는 일반적으로 알코어 생명연장재단, 미국 크라이오닉스 협회, 크라이오닉스 연구소 같은 단체와 미리 계약하고 비용 마련을 끝낸 대상자에게만 시행된다. 최적의 상황에서는 심장이 멈춘 직후 매우 신속하게 법적 사망이 선고된다. 절차는 법적 사망 선고 뒤에만 시작할 수 있다.

심정지가 일어나고 사망이 선고되면, 대상자에게 진정을 유지하고 뇌 대사를 낮추며, 혈액 응고를 예방하거나 되돌리고, 혈압을 높이며, 산증에 대비해 pH를 안정시키고, 허혈·재관류 손상으로부터 보호하는 약물을 투여할 수 있다.

크라이오닉스 절차에서는 조직을 살아 있게 유지하기 위해 가능한 한 빨리 혈액순환과 호흡을 지원한다. 이를 심폐소생술(CPR)이 아니라 심폐 지원(CPS) 이라고 부른다. 사망 선고 뒤에는 소생시키는 것이 목적이 아니기 때문이다. 이는 ‘소생술 금지(DNR)’ 상태에 해당한다. 프로포폴(2,6-디이소프로필페놀)은 진정 작용으로 소생을 방지할 수 있다는 이유로 일부 사용되며, 신경보호 효과도 추가적인 이점이다⁵⁶. 프로포폴은 허혈·재관류 손상으로 생길 수 있는 신경세포의 세포자멸사를 억제하는 것으로 나타났다⁵⁷.

헤파린은 혈액 응고를 막는 데 사용한다. 스트렙토키나아제는 혈전을 분해할 때 일반적으로 사용하는 혈전용해제다. THAM(트리스하이드록시메틸아미노메탄)은 이산화탄소를 만들어 내지 않고 동맥혈의 pH를 유지하는 완충제다. 세포막을 쉽게 통과하므로 세포 내 pH도 유지한다⁵⁸.

장비가 있으면 크라이오닉스 팀은 압박하는 하강 동작과 감압하는 상승 동작 모두에서 순환을 지원할 수 있는 기계 장치로 순환과 호흡을 지원한다. 능동 압박·감압 (ACDC)과 압박 사이에 가하는 복부 압박은 CPS 관류를 상당히 개선할 수 있다⁵⁹. 혈압을 유지해 CPS를 보조할 목적으로 에피네프린을 흔히 사용해 왔지만 바소프레신을 사용할 수도 있다⁶⁰.

대상자는 ACDC 방식의 심폐 지원을 받는 동안 순환하는 얼음물 욕조 안에 있다. 물에서는 공기보다 훨씬 빨리 냉각되며⁶¹, 뉴턴의 냉각 법칙에 따라 흐르는 물에서는 고인 물보다 훨씬 빨리 냉각된다. ACDC 심폐 지원이 만들어 내는 혈액순환도 대상자의 냉각을 상당히 빠르게 한다.

대상자의 온도가 10°C 미만으로 내려가면 유리화 용액의 관류를 시작할 수 있다. 뇌 전체를 유리화할 때 동결보호제에 노출되는 시간은 해마 절편을 유리화할 때보다 상당히 길다. 동결보호제에는 독성이 있으므로 노출 시간이 길수록 해당 조직의 독성 부담도 커진다. 그러나 큰 장기와 신체 조직은 얇은 절편처럼 빨리 냉각할 수 없으므로 얼음 형성을 막기 위해 더 높은 동결보호제 농도가 필요하다.

−196°C까지 냉각하면서 생기는 열응력 균열을 피하기 위해 대상자를 −130°C에 가까운 온도로 보관하는 체계를 제안한 사람들도 있다. 유리화 용액의 유리전이온도가 −120°C를 조금 밑돌기 때문에²⁰, −130°C 바로 아래에 보관한 대상자도 고체 상태일 것이다. 하지만 −130°C 바로 아래에 보관하는 방법은 아직 소수의 대상자에게만 시행되었다.

크라이오닉스 대상자는 보온병과 비슷한 액체질소 용기에 보관한다. 이 방식은 비용이 낮고 전기에 의존하지 않아 정전에 덜 취약하다.

과학과 간접 증거

많은 비판자는 극저온에서 보존된 포유류를 다시 가온하고 되살리기 전에는 크라이오닉스가 과학이 아니며 과학이 될 수도 없다고 주장한다. 그러나 간접 증거에서 추론하여 모형을 만드는 일은 과학의 핵심이다.

지구의 핵을 직접 본 사람은 아무도 없다. 빅뱅 이후 첫 100만분의 1초에 우주가 어떤 상태였는지 모형이 만들어졌다. 과학자들은 오랜 지구온난화 뒤 지구의 상태를 설명한다. 수십만 년 뒤 격리된 핵폐기물이 어떤 상태일지에 관한 모형도 만들어졌으며, 핵폐기물 처분은 그런 모형에 상당히 의존한다. 인류가 과거에 달에 착륙했다는 사실은 미래에 화성에도 착륙할 수 있다는 간접 증거가 된다.

많은 사람은 현재 과학으로 확인된 결과보다 미래의 과학 발전 가능성을 근거로 갓 태어난 아이의 제대혈 줄기세포를 저온보존한다. 멸종위기종의 생식세포와 DNA도 미래 기술을 예상해 비슷한 방식으로 보존한다. 독감 백신이 65세 이상을 보호할 확률은 50%에 불과하다^62,63. 성공의 절대적인 보장이 없어도 어느 정도의 성공 가능성을 뒷받침하는 간접 증거가 있다면, 그에 따라 일반적이거나 과감한 의료 처치를 감수하는 것이 비과학적인 것은 아니다.

극저온 보존된 대상자를 수리하고 되살리는 그럴듯한 모형이 있다면^64,65, 성공할 수도 실패할 수도 있는 장기 치료법으로 사람의 저온보존을 결정할 때 그 모형에 의존하는 것은 합리적으로 보인다. 저온보존된 포유류가 되살아날 때까지 사람의 보존을 미루면 많은 생명을 잃을 수 있다. 이는 핵폐기물을 격리하기 전에 수만 년 또는 수십만 년을 기다려 격리가 가능하다는 사실을 확인하려는 것과 같다. 크라이오닉스가 과학적으로 정당화되기 위해 저온보존된 포유류의 소생이 반드시 필요한 것은 아니라는 주장을 뒷받침하는 간접 증거가 존재한다.

결론

낮은 온도는 생물학적 시간을 늦추며, 액체질소 온도에서는 시간을 사실상 멈춘다. 동결보호제는 조직 저온보존으로 생기는 손상을 크게 줄이고, 효과적인 유리화는 얼음 형성을 완전히 막을 수 있다. 동결보호제 독성에 따른 손상은 수리할 수 있을 가능성이 높으며, 독성이 더 낮은 저온보존 방법도 계속 발견되고 있다. 인간과 동물에게 적용하는 저온보존은 원리상 되돌릴 수 있는 안정적인 생물학적 상태를 만드는 수단이다.

죽어 가는 과정은 심장 박동과 혈액순환이 멈출 때 끝나는 것이 아니라 그때 시작된다. 심폐정지에 근거해 법적 사망이 선고되면 크라이오닉스 절차는 인공적으로 혈액순환을 지원하고 온도를 빠르게 낮춰 추가 손상을 최소화하려 한다. 사람을 정의하는 뇌의 정보가 사라질 만큼 따뜻한 온도에서 임상적 사망이 지속되는 시간은 여러 시간일 수 있다.

노화를 치료할 수 있고 언젠가 되돌려 젊게 만들 수도 있는 질병으로 보는 견해는 다음과 같은 일반적인 이해에 기반한다. 노화는 세포와 분자 수준의 수많은 개별 병리로 이루어져 있으며, 예측 가능한 도구로 각각 연구하고 이해하여 되돌릴 수 있다는 것이다. 전뇌 허혈, 즉 임상적 사망이나 저온보존, 그 밖의 현재 불치인 질병이 일으키는 병리도 마찬가지로 분석하고 미래에 수리할 수 있을지 모른다. 미래에 노화 손상을 수리할 수 있다면 크라이오닉스 절차에 따른 손상도 수리할 수 있다고 생각하는 것은 무리가 아니다. 그리고 노화 손상을 수리할 수 있는 날이 온다면, 크라이오닉스는 오늘 살아 있는 많은 사람이 현재 불치인 질병을 치료하고 젊음을 되찾게 해 줄 미래 의학에 도달하는 유일한 방법일 수도 있다.

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