목 차 

1. 배경
1.1. 대체시험법 정의 및 필요성
1.1.1. 대체시험법 정의
1.1.2. 대체시험법 필요성
1.2. 대체시험법 종류 및 특징
2. 대체시험법 연구 동향
2.1. 장기 칩 연구 동향
2.1.1. 장기 칩 기술 개요
2.1.2. 장기 칩 기술 동향
2.2. 오가노이드 연구 동향
2.2.1. 오가노이드 기술 개요
2.2.2. 오가노이드 기술 동향
3. 호흡기 질환 연구를 위한 대체시험법 활용
3.1. 호흡기 질환 종류
3.2. 대체시험법을 이용한 호흡기 질환 연구 동향
3.2.1. 폐 칩을 이용한 호흡기 질환 연구
3.2.2. 폐 오가노이드를 이용한 호흡기 질환 연구
4. 결론
5. 참고문헌


1. 배경

최근 미국 정부는 신약개발 단계에서 임상 시험 전 의무적으로 수행해야 하는 동물 실험을 다른 실험으로 대체할 수 있도록 ‘식품·의약품·화장품법(Food, Drug, and Cosmetic Act)’을 개정하였다 [1]. 글로벌 제약 시장에서 우위를 차지하는 미국에서 동물실험 의무 조항을 삭제함에 따라 실험동물을 대체할 수 있는 동물대체시험법에 대한 사회적 관심과 필요성이 더욱 커지고 있다. 신약 개발 과정에서 동물 실험은 의약품의 안전성을 보장하기 위해 필수 요소로 인식되었으나, 이를 대체할 수 있는 다양한 시험법이 개발됨에 따라 동물대체시험법 도입에 대한 사회적 논의가 이루어지고 있다 [2].

특히 최근 장기 칩, 오가노이드 등의 동물대체시험법이 코로나19 백신 및 치료제 후보 물질 스크리닝과 병리학적 기전 연구에 활용되면서 추후 실험동물을 대체할 수 있는 시험법으로써 잠재성을 인정받고 있다.

이에 본 고에서는 장기 칩, 오가노이드 등의 동물대체시험법의 개발 동향과 호흡기 질환 연구 및 치료제 개발에 활용된 사례 등에 대해 개괄적으로 살펴보고자 한다.

1.1. 대체시험법 정의 및 필요성

1.1.1. 대체시험법 정의

‘대체시험법’이란 실험동물을 사용하지 않고 물질의 효능이나 독성을 평가할 수 있는 시험법으로, 실험동물을 대체하여 실험에 이용되는 동물의 수를 줄이거나 실험동물의 고통을 경감시킬 수 있는 방법으로 정의된다 [3, 4].

1.1.2. 대체시험법 필요성

‘대체시험법’이 등장한 배경에는 ① 동물 복지에 대한 관심 확대와 ② 동물실험의 인체적용 한계 등이 있다.

유럽 등 경제 선진국을 중심으로 실험동물의 불필요한 사용을 지양하고 실험동물의 복지를 개선하고자 하였으며, 영국을 포함한 전 세계 23개국에서 실험동물보호법을 제정하면서 이러한 움직임은 전 세계로 확대되기 시작했다 [4]. 1959년 영국의 동물학자 윌리엄 러셀(William Russell)과 미생물학자 렉스 버치(Rex Burch)가 제안한 ‘3Rs 원칙’은 동물 실험에 대한 윤리 기준으로 여겨지고 있으며, 특히 동물실험을 대체(replacement)할 수 있는 시험법의 개발과 활용을 위한 국가적 차원의 지원 체계가 마련되고 있다 [5, 6].

표 1. 3Rs 원칙

동물복지적 측면 뿐만 아니라 동물실험의 신뢰도, 정확도에 대해서도 의문이 제시되고 있다. 동물실험의 정확도는 약 43.5~66.7%, 동물실험과 임상시험의 결과 일치율은 10% 이하로 보고되었다 [3, 4]. 무엇보다 실험동물은 인간과 다른 종(species)이라는 본질적인 한계를 가지며, 유사성이 높다 하더라도 일부의 차이가 안전성 평가에서 오류를 발생시킬 가능성이 있다. 대표적인 부작용 사례는 임산부 입덧 방지약으로 개발된 ‘탈리도마이드’로 소형 설치류에서는 독성이 없었지만 시판 후 실제로 복용한 임산부들은 사산아나 기형아를 출산하면서 최악의 약해사고로 기록되고 있다 [4, 7].

시대적 변화에 따라 세계적으로 실험동물 사용을 지양하고 대체시험법을 활용하고자 하는 움직임은 앞으로도 계속 확대될 것으로 보인다. 실제로 유럽에서는 2013년부터 동물실험을 거친 화장품 판매를 금지하고 있으며, 미국에서도 일부 주를 시작으로 동물실험을 거친 화장품의 판매를 규제하고 있다 [4]. 또한 Roche, Johnson & Johnson 등 빅 파마들은 대체 시험법 개발 기업들과 공동 연구를 수행하거나 자체적으로 연구소를 설립하고 있으며, 시대의 요구에 따라 대체시험법에 대한 수요는 제약 업계에서도 지속 확산될 것으로 예상된다 [4, 8, 9].

1.2. 대체시험법 종류 및 특징

대체시험법은 크게 세포 시험법과 비세포 시험법으로 분류된다. 세포 시험법은 동물 세포나 사람 세포를 2차원 혹은 3차원으로 배양한 뒤 시험물질(신약 후보물질, 화학물질 등)을 처리하여 효능이나 독성을 평가하는 방법으로 2차원 세포 배양, 장기 칩, 오가노이드 등이 있다. 비세포 시험법은 세포를 사용하지 않고 컴퓨터 시뮬레이션 등을 활용하여 물질의 효능과 독성을 예측하는 방법으로 컴퓨터 모델링, 빅데이터 분석 등이 있다 [4].

표 2. 동물대체시험법의 종류

그림 1. 동물실험과 세포 시험법(2·3차원 세포 배양, 오가노이드, 장기 칩) 비교 [12]

컴퓨터 모델링 기반의 비세포 시험법은 가상 세포를 시작으로 가상 장기, 가장 인간까지 컴퓨터상으로 구현하는 시뮬레이션과 빅데이터를 활용하여 물질의 화학 구조를 통해 독성을 예측하는 QSAR(Quantitative structure-activity relationship) 모델 등을 포함한다. 빅데이터, 인공지능 딥 러닝 등 기술의 발전으로 세포를 활용하지 않고 물질의 독성부터 ADME(absorption, distribution, metabolism, and excretion, 흡수, 분배, 대사, 분비)까지 예측 가능해짐에 따라 신약 개발 단계에서 비용 효율성을 증진시키고 동물실험까지 최소화 시킬 수 있는 시험법으로 여겨지고 있다 [4, 13].

2. 대체시험법 연구 동향

2.1. 장기 칩 연구 동향

2.1.1. 장기 칩 기술 개요

‘장기 칩(organ-on-a-chip)’은 미세 유체 기술이나 하이드로겔 등을 이용하여 실제 장기와 유사한 물리·기계적 환경을 모사한 칩 상에 단일 세포 혹은 여러 세포를 배양한 시스템을 의미한다. 칩 상에 미세 채널을 형성하고 유체를 흐르게 하거나 채널의 압력을 조절하여 혈액의 흐름이나 폐의 수축·팽창 등과 같은 장기의 특징을 모사할 수 있다. 뿐만 아니라 유전자 편집 등의 기술로 특정 유전자를 조작한 세포 혹은 환자 유래의 세포를 칩 상에 배양하여 약물 개발 혹은 기전 연구 등에 이용하는 등 질환 모델링도 가능하다 [4, 10].

2.1.2. 장기 칩 기술 동향

2010년 미국 하버드대학의 비스연구소에서 ‘폐 칩(lung-on-a-chip)’을 최초로 개발하였으며, 그 이후로 피부의 다층 구조를 모사한 ‘피부 칩(skin-on-a-chip)’, 눈의 깜빡임을 모사한 ‘눈 칩(eye-on-a-chip)’, 혈액의 흐름 환경을 모사한 ‘혈관 칩(vessel-on-a-chip)’ 등 다양한 장기의 특징을 모사하는 칩이 개발되었다 [14-17].

장기 칩이 유망한 동물대체시험법으로 주목받는 이유 중 하나는 실제 장기와 유사한 환경에서 세포를 배양할 경우 생리적 세포 반응 뿐만 아니라 외부 물질에 대한 반응을 실제와 유사하게 재현할 수 있기 때문이다. 혈관세포의 경우, 배양액이 흐르는 유체 환경에서 혈관 세포의 특이적인 마커 발현이 증가하고 혈관 투과도가 낮아지는 것으로 알려졌으며 [18], 2019년 펜실베이니아 대학 연구팀이 개발한 ‘블링킹 아이온어칩(blinking eye-on-a-chip)’은 눈 깜빡임이 각막 조직의 분화와 유지에 중요한 요소임을 보여주었다 [16].

이렇게 칩 상에 적용되는 기계적 요소는 세포의 정상적인 분화나 성숙을 위해 활용될 수 있으나 반대로 장기의 병적 환경을 유도하기 위해서도 사용될 수 있다. 2018년에 발표된 ‘혈관 출혈 모델(vascularized bleeding model)’은 혈관 채널과 인접한 채널에 압력을 조절하여 혈관 세포가 배양된 채널에 변형을 유도하고, 혈관이 찢어지는 출혈 현상을 모델링한 뒤 지혈 과정과 연관된 여러 요소들 간의 상호작용에 대해 분석하였다 [19]. 장기 칩을 활용하면 동물 모델에서 실시간으로 관찰하기 어려운 현상도 현미경을 통해 실시간 관찰 가능하다. 실제로 2021년에 발표된 ‘혈액-뇌 장벽 칩(blood-brain barrier-on-a-chip)’을 통해 뇌수막염을 유발하는 크립토코쿠스 네오포만스(cryptococcus neoformans, 곰팡이의 일종)가 혈액-뇌 장벽을 통해 뇌 조직으로 침투하는 것을 실시간 모니터링할 수 있었으며, 특수 유전자를 제거하였을 때 뇌 조직으로의 침투가 저해되는 것까지 확인하였다 [20].

표 3. 장기 칩 개발 동향 

단일 장기 칩 뿐만 아니라 다양한 장기의 세포를 단일 칩의 분리된 공간에 각각 배양하여 연결한 다중장기 칩인 ‘바디온어칩(body-on-a-chip)’도 개발되었다. 인체에서 일어나는 다양한 장기간의 상호작용과 약물의 흡수 및 대사까지 구현할 수 있다는 점에서 많은 주목받고 있다 [4]. 또한 전자회로를 칩에 삽입할 경우 전기 신호 등 세포의 반응을 실시간으로 모니터링할 수 있어 대량의 바이오 데이터 베이스를 확보하여 추후 신약 개발 단계에서 활용할 수도 있다.

2.2. 오가노이드 연구 동향

2.2.1. 오가노이드 기술 개요

‘오가노이드(organoid)’는 성체줄기세포, 역분화줄기세포 등을 3차원으로 배양한 뒤 특이적인 세포로 분화를 유도하여 제작한 장기 유사체를 의미하며, 세포의 종류나 배양 조건에 따라서 여러 장기 유사체를 제작할 수 있다 [4, 23]. 생체 내의 발달 과정을 실제로 재현하고, 세포 제공자가 가지는 여러 유전적 특징들을 그대로 보유하는 등 생체 유사성을 나타내어 획기적인 기술로 평가받고 있다 [24].

오가노이드 제작을 위한 세포 3차원 배양을 위해 Hanging drop, 3D 바이오프린팅, 바이오리액터(bioreactor) 등의 방법이 이용되고 있으며, 제작된 오가노이드는 약물의 효능·독성 평가 뿐만 아니라 손상된 장기의 재건을 돕는 재생치료제, 바이오뱅크 등으로도 활용될 수 있다 [4].

표 4. 오가노이드 제작을 위한 3차원 세포 배양 방법

2.2.2. 오가노이드 기술 동향

2009년에 네덜란드 위트레흐트대 한스 클레버스 교수에 의해 개발된 장 오가노이드를 시작으로 지금까지 대뇌, 위, 심장, 신장, 폐 등 다양한 종류의 오가노이드가 개발되었다. 특히 2013년에 영국 케임브리지대 매들링 랭커스터 박사에 의해 개발된 뇌 오가노이드가 피질(cortex)과 주름 구조 등을 가지면서 신경 신호까지 관찰 가능한 것으로 알려져 큰 주목을 받았다 [4, 25, 26].

장 오가노이드는 로타 바이러스(rotavirus), 노로 바이러스(norovirus) 등의 연구에 활용되었으며 [27, 28], 폐 오가노이드는 인플루엔자(influenze) 바이러스를 비롯한 호흡기세포융합바이러스(respiratory syncytial virus) 등을 포함하여 최근에는 코로나19 기전 연구 및 치료제 개발 연구에 활발히 활용되었다 [29-31]. 이 외에도 위 오가노이드는 헬리코박터 파일로리(helicobacter pylorie)와 같은 감염균 연구에 [32], 심장 오가노이드는 비대성 심근병증이나 급성 심근경색 등의 심장 질환 연구에 [33-35], 신장 오가노이드는 다낭성 신장 질환 등의 신장 질환 연구에 사용되었다 [36, 37]. 생체 외 시험법으로써 오가노이드의 잠재성을 인정받은 것은 전 세계를 강타했던 ‘지카 바이러스’ 연구에 활용되었을 때다. 지카 바이러스가 유산, 소두증과 연관성이 있다는 것은 통계적으로는 입증되었으나 기전에 대해 밝혀진 바는 없었다. 무엇보다 태아의 발생을 연구하기 위한 적합한 실험 모델이 부재한 상황이었다. 미국 샌디에이고 캘리포니아의대와 브라질 리우데자네이루 연방주립대 연구팀은 뇌 오가노이드를 이용하여 지카 바이러스와 소두증의 연관성을 입증하였으며, 이는 최초로 발표된 직접적인 실험 증거였다 [38-40].

표 5. 오가노이드 개발 동향

최근에는 오가노이드를 배양하는 미세환경을 실제와 유사하게끔 구현할 경우 오가노이드의 성숙이 촉진되고, 장기 배양이 가능해지는 것으로 알려지면서 오가노이드를 미세유체 기술이 적용된 칩 상에 배양하는 ‘오가노이드온어칩(organoids-on-a-chip)’도 등장하였다 [42].

3. 호흡기 질환 연구를 위한 대체시험법 활용

3.1. 호흡기 질환 종류

호흡기 질환이란 호흡기계에 영향을 주는 다양한 질환으로 분류되며, 감염성 질환, 기도 관련 질환, 악성 종양 등이 있다 [43]. 대략적인 질환의 종류는 아래 표와 같다.

표 6. 호흡기 질환 종류

3.2. 대체시험법을 이용한 호흡기 질환 연구 동향

호흡기 질환 연구에 활용되는 대체모델은 폐의 세포 구성이나 구조, 기계적 움직임을 구현할 수 있어야 한다. 폐를 구성하는 폐포는 한 층의 세포로 이루어져 있으며, 속이 빈 작은 주머니가 여러 개 모인 포도송이 같은 모양이다. 상피세포가 공기와 접하는 벽면을 구성하고 있으며, 폐포의 겉은 모세혈관이 싸고 있고 이 얇은 막을 사이로 산소와 이산화탄소가 이동하는 가스교환이 일어난다 [44].

그림 2. 폐 구조

폐 칩은 보통 다공성 멤브레인(porous membrane)으로 분리된 채널의 상층부에 상피세포를, 하층부에는 혈관세포를 배양한 뒤, 상피채널에는 공기를 혈관채널에는 배양액을 노출시켜 실제 폐포의 구조를 모사하는 형태이다. 그 후 세포가 배양된 채널의 양 옆에 있는 미세채널의 압력을 조절하여 중앙 채널의 수축과 팽창을 유도하는 방식으로 폐의 기계적인 움직임을 구현할 수 있다. 폐 칩은 최초로 개발된 장기 칩으로 초기에 제작된 모델이 많이 활용되었지만, 최근에는 폐포의 곡률 반경을 모사하거나, 세포에 직접적으로 압력을 가할 수 있는 모델 등 다양한 형태의 폐 칩이 개발되고 있다 [45-47].

폐 오가노이드는 역분화줄기세포(induced pluripotent stem cells, iPSCs)나 배아줄기세포(embryonic stem cells, ESCs)의 분화를 유도하거나 폐 생검(biopsy)이나 기도 생검을 통해 확보한 세포를 이용하여 제작이 가능하다. 제작된 폐 오가노이드는 실제 사람의 폐 조직과 유사한 구조를 가지면서 섬모 운동 등의 특성을 보이는 것으로 보고되었다 [25].

그림 3. 다양한 폐 칩

3.2.1. 폐 칩을 이용한 호흡기 질환 연구

최초의 장기 칩인 폐 칩은 다양한 폐 질환을 모델링하는 데 사용되어 왔다. 폐 부종, 폐 암 등을 시작으로 최근에는 코로나 바이러스 연구에도 사용되었다. 특히 폐에서 일어나는 수축, 팽창과 같은 기계적 움직임이 세포의 반응, 약물에 대한 민감도 뿐만 아니라 호흡기를 통해 흡입되는 유해 입자들의 체내 침투에도 영향을 끼치는 것으로 알려지면서 폐 연구에 있어서 폐의 움직임을 구현하는 것이 매우 중요하다고 여겨지고 있다 [48].

표 7. 폐 칩을 이용한 호흡기 질환 연구 사례

3.2.2. 폐 오가노이드를 이용한 호흡기 질환 연구

최근 20년간 세계를 강타했던 사스(SARS, 중증 급성 호흡기 증후군), 메르스(MERS, 중동 호흡기 증후군), 코로나바이러스는 모두 감염성 호흡기 질환으로, 이러한 전염성 바이러스는 호흡 곤란을 일으키거나 폐렴, 급성신부전 등의 합병증을 유발시킬 수 있으며 심각한 경우 팬데믹으로 이어져 공중 보건에 엄청난 위협을 줄 수 있다. 여러 바이러스를 겪으면서 미래의 새로운 바이러스에 대비하는 것은 선택이 아닌 필수로 여겨지고 있고, 대유행 가능성이 있는 바이러스를 파악하여 선제적으로 백신, 치료제 연구를 시작해야 한다는 목소리도 나오고 있다.

바이러스학 연구자들은 바이러스의 기전 연구를 목적으로 오가노이드를 적극 활용하고 있다. 코로나바이러스가 등장한 후 세계의 여러 연구기관에서는 기존 항바이러스제의 용도 변경이나 치료제 개발 연구, 바이러스의 기전연구 등 다양한 목적으로 여러 종류의 장기 오가노이드를 개발하고 활용해 왔다. 네덜란드 위트레흐트대학의 연구팀은 소장 오가노이드의 코로나 바이러스 감염을 통해 새로운 전파 경로를 제시하였으며, 미국 코넬 대학의 연구팀은 폐 오가노이드, 장 오가노이드를 활용하여 1,000개의 후보물질의 코로나 감염 억제 효과를 스크리닝 하였다 [52].

오가노이드를 활용한 바이러스 연구 사례가 많이 보고되면서 새로운 유행병을 예측하고, 이에 대응하기 위한 후보물질 스크리닝, 치료제 개발, 바이러스 감염 경로 연구 등을 위한 플랫폼으로 오가노이드가 더욱 주목을 받고 있다. 따라서 본 파트에서는 최근 폐 오가노이드를 활용한 바이러스 연구를 중심으로 내용을 정리해 보았다.

표 8. 폐 오가노이드를 이용한 호흡기 질환 연구 사례

4. 결론

실험동물에 대한 윤리인식이 강화되는 움직임 속에 최근 미국 정부에서 1938년부터 유지된 동물실험 의무 조항을 삭제하면서 동물대체시험법에 대한 사회적 관심이 커지고 있다. 이러한 시대의 흐름에 따라 대체시험법에 대한 수요는 지속적으로 증가할 것으로 보이며, 이에 유관 산업 또한 성장할 것으로 예상된다. 현재 장기 칩, 오가노이드 시장은 유럽, 미국 등 동물 복지에 대해 일찍이 논의를 시작하여 선제적으로 연구를 수행했던 주요국들이 우위를 점하고 있다 [4]. 시장을 선도하는 대부분의 기업들은 연구진들이 개발한 원천기술을 바탕으로 설립된 스타트업으로, 우수한 기술력을 인정받아 대규모 투자금을 유치하고, 빅 파마 등의 기업들과 파트너십을 맺는 등 활발한 교류를 바탕으로 기술을 개발 및 확장하고 있다 [4, 10].

그림 4. 글로벌 장기 칩, 오가노이드 기업들

신기술의 사회적 수용성을 확보하기 위해서는 정부, 기업, 학계 등 유관 기관 간의 긴밀한 협력을 바탕으로 각자의 역할을 수행하는 것이 중요하다. 정부는 장기적 관점의 로드맵을 마련하고, 학계 등 연구기관은 원천기술을 개발하며 그 과정에서 기술의 실 수요자인 기업들과 네트워크를 형성하여 기술 개발 단계에서부터 전문자들의 의견이 반영되어야 한다. 우리나라도 국제적인 흐름에 맞추어 동물대체시험법의 도입과 활성화를 위한 지원체계를 마련하고 있다. 최근 정부는 동물대체시험법 중 하나인 ‘인체 조직/장기 특성 모사가능 맞춤형 세포제어 칩’을 첨단 바이오 분야 미래소재로 선정(’23년 3월)하였으며 [58], ‘오가노이드(줄기세포) 배양 기술’을 국가첨단전략기술에 포함(‘23년 5월)시켰다 [59]. 또한 ‘첨단 바이오의약품(면역 항암제)의 3D 인체 모사 융합 플랫폼 기반 유효성 비임상 평가법 구축’을 목표로 기술 개발 및 실증 지원 등을 위한 다부처공동지원 사업을 추진한다고 발표(’23년 5월)했다 [60].

그림 5. 첨단 바이오 분야 미래소재

그림 6. 국가첨단전략기술 지정(안) 주요 내용 – 바이오 분야 기술

그림 7. 3D 인체 모사 융합 플랫폼 개발 추진 개요 일부

동물대체시험법 관련 연구개발에 대한 정부 투자는 지속 증가 중이며, 최근에는 동물대체시험법 활성화와 유관 산업 지원을 목적으로 ‘동물대체시험법 활성화 법률안’이 발의되는 등 제도 마련을 위한 법 개정 추진 단계에 있다. 주요국들과 마찬가지로 국내에서도 연구진들을 중심으로 설립된 스타트업들이 투자금을 유치하고, 국내 제약사나 화장품 기업들과 전략적 연구 협약을 맺는 등 기술 고도화와 활성화를 위해 적극적인 행보를 보이고 있다.

장기 칩과 오가노이드는 많은 잠재성을 가지고 있지만 기술의 재현성과 일관성 확보, 대규모 생산, 스케일 업 문제, 면역 세포 부재와 같은 구성 세포의 한계, 배양법 최적화 등 동시에 해결해야 할 문제들도 보유하고 있다. 하지만 세계적으로 많은 국가들이 기술의 중요성과 필요성에 대해 공감하고 있으며, 이러한 국제적 요구에 부합하는 정부의 제도적 지원과 학계와 산업계의 활발한 연구 개발이 지속되기에 현재의 기술 단계에서 더욱 성장할 것으로 예상된다. 기술의 상용화까지는 긴 시간이 소요될 수도 있지만 이러한 국내 생태계의 움직임은 추후 우리나라도 글로벌 시장에 안정적으로 진입하여 경쟁력을 확보할 수 있다는 긍정적인 신호로 조심스레 기대해 본다.

5. 참고문헌

==>첨부파일(PDF) 참조

저자 서수영 저자 서수영은 뇌 질환 연구를 위한 혈액-뇌 장벽 체외 플랫폼 개발 연구를 주제로 박사학위를 받았다. 현재는 한국산업은행 산업기술리서치센터에서 근무 중이다.