나만을 위한 임상시험, 장기 배양 시대 온다

나만을 위한 임상시험, 장기 배양 시대 온다

[Science &] 나만을 위한 임상시험, 오가노이드 시대 온다

기사입력 2016-07-15 15:54 | 최종수정 2016-07-15 16:28

의료혁신의 미래 `3차원 인공실험체` 연구

 

"최근 유전자 치료제 등 개인 맞춤형 치료제 개발에 속도가 붙고 있습니다. 비싼 치료제를 투여했는데 효과가 거의 없다고 생각해보세요. 이런 부작용을 줄여주는 것이 인공실험체입니다." 지난 8일 한국생명공학연구원에서 만난 정초록 유전체의학연구센터 책임연구원은 '인공실험체(NOCS·녹스)' 개발의 중요성에 대해 이렇게 설명했다.

 

정초록 책임연구원은 '생체모사 배양시스템 기반 개인 맞춤 질환모델 개발'의 연구책임자를 맡고 있다. 그는 "지금까지 신약개발 등에서 이뤄진 동물실험으로 인체 세포 반응을 측정하는 데 한계가 있어 이를 대체할 수 있는 더 정확한 실험 장비가 필수적"이라며 "점점 거세지는 동물실험 반대에도 대응할 수 있다"고 말했다.

 

연구팀은 정확한 인체 반응 예측과 연구용 실험동물 감소를 위해 정부출연연구원·중소기업 간 융·복합 연구를 통한 인공실험체(NOCS)와 이를 활용한 실험동물 대체 시험법을 개발하는 것을 목표로 연구에 매진하고 있다.

 

2009년 네덜란드 연구팀은 생쥐의 직장에서 줄기세포를 얻은 뒤 이를 배양해 내장을 만드는 데 성공했다. 이 팀은 지난해 7월에는 인간의 줄기세포를 이용해 초소형 3차원 미니 심장을 만들어냈다. 사람의 장기와 유사한 특징을 보이면서도 크기는 작은 미니 장기인 '오가노이드' 시대가 열린 것이다.

 

장기유사체(오가노이드)는 배양접시에 키워 만든다. 기존 동물실험을 대체하는 것이 목표로 실험동물 윤리 논란에서도 벗어날 수 있고 동물실험과 임상시험에서 상반된 결과가 나오는 것을 피할 수 있다는 장점이 있다. 특히 현재 각광받고 있는 유전자 치료제의 가격은 천문학적이다. 면역계 강화를 통해 암세포를 파괴하는 항암제 가격은 연간 4만달러(약 4700만원)에 달한다. 환자 맞춤형 임상이 필요한 이유는 비싼 맞춤형 치료제의 효능을 높이기 위해서다. 이를 위해 필요한 것이 인공실험체다.

 

기존 오가노이드 실험에서는 특수 구조의 배양접시에서 이를 배양한 뒤 약물 투여 실험 등을 했다. 동물실험보다 더 정확한 데이터를 얻을 수 있지만 장기들을 각각 따로 실험해야 한다는 한계가 존재한다. 가령 우리가 음식물을 섭취하면 위와 장을 거치며 분해된 뒤 간으로 전달되는 과정을 거친다. 배양접시에서 각각의 오가노이드를 대상으로 한 실험에서는 간 따로 장 따로 실험이 이뤄지다 보니 이를 볼 수 없다. 우리 몸속처럼 장기들이 서로 연결돼 있지 않기 때문이다.

 

정 책임연구원은 "간을 예로 든다면 단순히 간세포만 뭉쳐놨다고 간이 되는 것은 아니다"며 "기존에는 간, 장 등 각각의 장기를 최대한 실제 장기와 비슷하게 만들어보자는 것이 목표였다면 우리는 이 오가노이드를 연결해보고자 했다"고 말했다. 그는 "특정 물질의 독성이 간에서는 나타나지 않고 장에서만 나타날 수도 있다"며 "기존 방식처럼 오가노이드를 각각 만들어놓고 실험할 경우 이런 '연계성'을 발견하기 어렵다"고 설명했다.

 

정 책임연구원 연구팀은 배양접시를 층층이 쌓아 3차원(3D)으로 만든 새로운 순환배양기를 개발했다. 아래부터 골수 등 조혈기관을 대신하는 오가노이드를 시작으로 간 오가노이드, 장 오가노이드, 심장 오가노이드를 탑처럼 쌓아 올린 형태다. 순환배양기에서 각각의 오가노이드를 담은 배양접시들은 관으로 연결돼 있다. 체내 장기들이 혈관으로 연결돼 있는 것과 유사한 형태를 구현한 것이다. 가령 장 오가노이드에 약물을 투여하면 이 약물이 관을 타고 순환하며 간 또는 심장 오가노이드가 있는 배양접시로 이동해 새로운 반응을 이끌어낼 수 있다.

 

실험에 사용되는 오가노이드 중 일부는 유도만능줄기세포(iPS세포)를 사용해 만든다. 배아줄기세포처럼 인체의 다양한 세포로 자라는 만능줄기세포지만 마치 시계를 거꾸로 돌리듯 다 자란 피부 세포를 거꾸로 자라도록 유도한다는 점에서 이런 이름이 붙었다. 정 책임연구원은 "장은 iPS세포로 만들지만 간의 경우 간을 구성하는 섬유화세포, 혈관세포 등을 섞어서 재구성하는 방식으로 만든다"고 설명했다.

 

그는 "3차원 체외종양모델을 볼 수 있다는 것이 인공실험체의 장점"이라며 "종양을 육안으로 관찰 가능한 3~4㎜ 크기로 만든 뒤 간세포 등에 넣어서 만들어주면 된다"고 말했다. 연구팀은 탑처럼 배양접시를 쌓아 올리는 방식을 개량해 정밀한 인공실험체를 만들어냈다.    

 

정 책임연구원은 "배양접시를 층층이 쌓아 올리다 보니 중력 때문에 (배양액 등이) 밑으로 쌓이는 문제가 발생했다"며 "이 문제를 해결하기 위해 배양접시를 바둑판처럼 옆으로 나란히 배열하는 인공실험체를 개발하게 됐다"고 말했다. 연구팀이 새롭게 개발한 인공실험체는 배양접시 4개가 옆으로 펼쳐진 형태다. 각각의 배양접시에 원하는 오가노이드를 배양한 뒤 약물 실험 등을 할 수 있다. 유전자 치료제 등 '맞춤형 의료시대'가 점점 현실이 되면서 연구팀도 바쁘게 움직이고 있다. 연구팀의 궁극적 목표는 인공실험체로 기존 동물실험을 대체하고 더 나아가 임상1상까지 가능하게 만드는 것이다. 2020년까지 실험동물, 특히 설치류를 대체할 대안을 제시하는 것이 목표다. 이후 이르면 2020년 중반까지 임상1상을 대체할 방안을 찾는다는 계획이다.

 

정 책임연구원은 "유전자 치료제 등 맞춤형 의약품은 기존 약보다 치료 효과가 좋지만 가격이 매우 비싼 것이 단점"이라며 "환자에게서 세포를 얻어 오가노이드를 만들고 이를 실험한다면 유전자 치료제 약효를 높일 수 있을 것"이라고 말했다. 그는 "환자 맞춤형 임상시험을 할 수 있는 질환모델을 만들 수 있다"며 "환자의 유전적 질환 등 고유한 특성을 담고 있는 오가노이드를 만들어 임상실험을 거친다면 맞춤형 의료시대의 도래를 앞당길 수 있다고 생각한다"고 덧붙였다.

 

연구팀은 400만원 정도 선에서 인공실험체 한 대를 만들 수 있을 것으로 추산하고 있다. 정 책임연구원은 "동물실험에 많이 사용되는 누드마우스 한 마리 가격이 약 6만원 정도인데 한 실험그룹이 8마리 정도를 사용한다"며 "이런 실험그룹이 10개만 돼도 실험 한 번에 480만원의 비용이 들어간다"고 말했다. 여기에 실험쥐 사육 비용이 추가되면 금액은 더 올라간다. 그는 "생명연에서 사육하는 실험쥐가 보통 400마리 정도로 1년 유지 비용만 2400만원 규모"라고 언급했다. 인공실험체를 구비하면 이런 비용을 크게 줄일 수 있어 궁극적으로는 약가 인하도 기대해 볼 수 있다.

 

[대전 = 이영욱 기자]

 

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