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동물 실험 대체법으로서 인간 줄기세포를 이용한 약물 개발 현황 및 전망
동물 실험 대체법으로서 인간 줄기세포를 이용한 약물 개발 현황 및 전망 저자 김연주 (The Babraham Institute)
등록일 2022.06.24
자료번호 BRIC VIEW 2022-T09
조회 2801  인쇄하기 주소복사 트위터 공유 페이스북 공유 
요약문
새로운 약물을 개발하는 과정에서 신약 후보 물질을 발견하고, 발견된 물질의 효능과 안정성을 측정하기 위해 실시하는 동물을 이용한 실험은 매우 중요하다. 하지만, 이러한 동물 실험은 보통 시간이 많이 소요되고, 비용이 상당할 뿐만 아니라 실시하기 전 단계에서 고려해야 할 사항과 그에 따른 규제도 많으며, 무엇보다도 동물의 생명에 대한 대중의 윤리 의식이 고조되면서 윤리적인 이유로도 약물을 개발하는 입장에서 가장 피하고 싶은 단계일 수 있다. 이를 대체하기 위한 연구자들의 노력은 계속되고 있다. 동물 실험 대체법으로서 제안되고 있는 다양한 방안 중 근래에 가장 주목을 받는 것이 인간 줄기세포를 이용한 접근 방식이다. 정상 및 종양 유래 줄기세포는 약물 후보물질의 발견 과정에서 스크리닝 수행을 위한 플랫폼 역할을 하며, 독성 및 효능 연구에서 동물을 대체할 모델 시스템을 제공할 수 있다. 특히 최근의 유도 만능 세포를 활용한 연구는 세포를 기반으로 한 요법의 적용 범위를 확장해 인간의 장기를 더 잘 모방할 수 있는 시스템을 개발할 수 있게 하여 동물 실험을 보완, 감소 및 대체하고 있다.
키워드: 줄기세포, 종양 유래 줄기세포, 유도 만능 줄기세포, 신약 후보 물질 스크리닝, 전임상 실험, 동물 실험
분야: Medicine, Pharmacology

목 차

1. 서론
2. 본론
  2.1. 신약 개발 과정의 개요
  2.2. 동물 실험을 대체하기 위한 노력
  2.3. 줄기세포
  2.4. 약물 개발 과정에서 줄기세포 - 약물 후보 물질 발견
  2.5. 약물 개발 과정에서 줄기세포 – 독성 실험
3. 결론
4. 참고문헌


1. 서론

오늘날 동물을 대상으로 한 실험은 의학, 수의학 및 기초 생물 의학 연구 및 약물 후보 물질 개발과 새로운 물질의 전임상 독성 및 안전성 연구에 널리 활용된다 (그림 1A). 연간 7,500만에서 1억 마리의 척추동물이 다양한 목적으로 연구 및 테스트에 사용되며, 생쥐와 쥐는 가장 흔히 사용되는 동물이다 (그림 1B).

 

동물이 이용되는 분야와 이용되는 동물 종의 분포

그림 1. 동물이 이용되는 분야와 이용되는 동물 종의 분포 [1]


특히 신약을 개발하는 과정에서 전임상의 약리학 및 독성학 시험은 인간 생리학과 병태생리학을 이해하기 위해 중요한 과정일 뿐 아니라, 전 세계의 규제 기관들에서 필수적으로 요구하는 사항이기도 하다 [2]. 하지만, 동물을 이용한 전임상 실험은 1) 요구되는 비용과 시간에 비해 테스트할 수 있는 물질의 수와 농도가 제한적이며, 2) 인간의 신체 내에서의 반응을 동물의 결과로부터 유추하는 것에 한계가 있고, 3) 다른 생명체에 인위적으로 육체적 또는 심리적 고통을 주는 것은 비윤리적이라는 것 등의 이유로 종종 비판에 직면한다. 여전히 토끼, 쥐, 개, 원숭이를 포함한 수많은 동물이 실험을 목적으로 전 세계적으로 사용되고 있지만 그 숫자는 지난 수년에 걸쳐 감소하고 있다(Speaking of research, Understanding animal research 홈페이지 참조).

꼭 윤리적 관점이 아니더라도 인간에 적용하기 위한 화학 물질을 동물을 대상으로 테스트하는 것에는 몇 가지 단점이 있다. 그중 가장 중요한 것은 인간과 동물의 해부학, 신진대사, 생리학 및 유전학의 차이가 인간에서의 질병의 이해와 인간의 약물에 대한 독성 반응을 예측하기 위해 실시되는 동물 실험의 신뢰성을 크게 제한한다는 것이다. 또한, 인위적으로 가해지는 동물에 대한 위협은 실험자가 아무리 주의를 기울여서 실시하더라도 동물의 스트레스를 유발하여 의도치 않은 생리학적 및 호르몬 표지의 변화를 유발하는 것으로 알려졌으며, 결과적으로 실험 결과에 영향을 미칠 수 있다 [3]. 최근 보고서에 따르면 동물 실험을 통해 안전하고 효과적인 것으로 보이는 후보 의약품 10개 중 9개가 인간에의 적용이 부적합하다는 발표가 있다. 부적합한 동물 모델을 이용해 결코 신약으로 개발될 수 없는 약물을 연구한 실패는 인류의 의학적 발전을 저해할 뿐 아니라 자원을 낭비하고 가장 위험하게는 임상 시험 지원자의 건강과 안전을 위협하는 결과를 초래할 수 있다는 점에서 큰 문제이다.

1959년 William Russell과 Rex Burch에 의해 제안된 '3R' 개념(Replacement-대체, Reduction-감소 및 Refinement-개선)은 지금까지도 연구에 동물을 이용하는 모든 연구자의 윤리적인 틀이 되고 있다. 이 개념에 따라 모든 연구자는 동물의 고통을 최소화하기 위해 실험 절차를 개선하고, 사용되는 동물의 수를 줄이기 위해 노력해야 하며, 가능한 경우 대체 기술을 사용해야 한다. 시험관 내에서 배양된 세포(주로 종양 세포주나 1차 배양세포)를 이용한 동물 실험 대체 기술을 마련하려는 시도는 계속 있었으며, 특히 최근에는 시험관 내(In Vitro) 및 컴퓨터 시뮬레이션을 활용(In Silico)에 줄기세포를 활용한 기술들이 동물의 사용을 피할 수 있는 대안적 방법들로 제안되고 있다.

줄기세포는 인간의 성장과 발달의 근원이 되는 세포이며, 다른 세포와 다른 고유한 특성을 가진다. 1950년대 Donald et al. 이 줄기세포가 질병을 치료하는 약물로 사용될 수 있음을 보여준 이래로 줄기세포를 분리, 증식 및 변형하는 기술의 발전과 함께 줄기세포를 응용한 질병 치료 분야는 엄청난 발전을 거두었으며, 현재까지 줄기세포 이식으로 치료된 질병은 100가지를 훌쩍 넘는다. 줄기세포를 응용한 의학 분야가 발전함에 따라 많은 연구자는 이를 약물 후보 물질의 발견과 약물의 독성 및 안전성 테스트 등의 다른 응용 분야로 초점을 확장했으며, 오늘날에는 약물 개발 과정에서 약물의 안전성과 독성을 더욱 효율적으로 평가할 수 있는 줄기세포 기반 시험 방식이 고안되고 있다. 여러 연구자는 이러한 기술이 약물의 인체에 미치는 영향을 예측하는 데 동물 실험보다 더 나음을 입증하려는 노력을 기울이고 있으며, 현재 이용되는 일부 동물 실험은 결국 대체될 수 있을 것으로 보인다는 긍정적인 전망도 나온다. 이렇게 줄기세포를 활용한 기술의 발달은 약물 개발의 양상을 바꾸고 동물에 대한 의존도를 낮추고 있으며, 궁극적으로 더 저렴하고 빠르게 더 안전한 약물을 환자에게 제공하는 것을 가능하게 할 것이다.


2. 본론

2.1. 신약 개발 과정의 개요

전통적인 신약 개발 과정과 대략적인 소요 시간은 그림 2에 나타낸 바와 같다 [4]. 보통 많은 수의 화합물 중 유망한 신약 후보 물질을 추려내기 위해 실험실에서 시험관 내(In vitro) 실험 또는 동물(In vivo) 실험을 통한 스크리닝 작업이 시행되며, 구조적으로 기존에 사용되고 있는 약물과 유사하여 추가 연구 가치가 인정되는 물질의 경우에는 실험실 내에서 수용체의 결합과 효소 활성 또는 독성에 대한 실험을 거친 후 후보 물질로 선택된다. 이렇게 선택된 후보 물질들의 안전성과 독성은 보통 동물을 이용한 전임상 실험을 통해 시험된다. 전임상 실험은 1) 새로운 물질을 인간에 적용하기 전 안전한 용량 범위를 결정하거나, 2) 약동학 또는 약력학 프로파일과 여러 가지 매개변수를 예측하며, 3) 새로운 물질의 활성이 나타나는 표적 장기를 파악하고, 4) 물질에 의해 발생할 수 있는 독성 반응에 대한 정보를 얻기 위한 목적 등으로 실시된다.

 

일반적인 신약 개발 과정과 대략적인 소요 시간

그림 2. 일반적인 신약 개발 과정과 대략적인 소요 시간 [4].


하지만, 이렇게 동물 실험을 거쳐서 임상 시험에 들어간다고 하더라도 약물 후보 물질 중 80~90%가 1상 임상 시험에서 효능 부족(57%)이나 심혈관, 간, 위장관계 및 중추신경계 독성 유발(1상 35% 및 2상 28%) 등의 원인으로 탈락한다(5-7, FDA의 약물 개발 현황 보고서). 또한, 현재의 전임상 모델은 일부 독성을 감지하기에는 불충분하다. 한 연구에 따르면 현재의 전임상 설치류 연구로는 150가지 화합물에 의해 유발된 221건의 인체 독성 반응 중 단 43%만이 예측할 수 있다 [8]. 이런 점들을 감안할 때, 약물 개발에 있어서 동물이 아닌 인간 모델 사용의 필요성에 대한 인식이 높아지고 있다. 이를 위해 인간 생리학과 병태생리를 더 잘 반영할 수 있는 모델 시스템의 개발이 필요하며, 그 해법의 하나로 제안되고 있는 것이 줄기세포를 이용한 모델이다.

2.2 동물 실험을 대체하기 위한 노력

약물 개발 과정에서 임상 및 전임상 연구는 인간의 안전을 보장하기 위해 필수적이다. 특히 약물 개발의 초기 단계에서 우수실험실 관리기준(Good Laboratory Practice, GLP)을 준수하며 다양한 프로토콜에 따라 실시되는 전임상 동물의 돌연변이 유발성, 급성, 아만성 및 만성 독성, 발달 및 생식 독성 연구 및 안전성 약리학 연구는 매우 중요하다 [9]. 예를 들어, 의약품이나 화장품 등 국소 노출 자극의 가능성이 있는 제품의 경우 제품 개발 전에 안구 및 피부 노출과 관련된 평가는 필수적이다(예, 토끼를 이용한 Draize테스트(OECD, 2002)). 하지만, 실험동물에 대해 고통스럽고 침습적인 절차는 전 세계적으로 동물 복지에 대한 관심을 불러일으켰으며 [10, 11], EU에서는 2013년부터 화장품에 대한 동물실험을 금지한 바 있다 [12]. 이후 최근 몇 년 동안 동물 복지를 반영할 수 있는 독성 시험에 대한 대안을 제안하는 경향은 꾸준히 증가하고 있다 [13].

동물을 대체하기 위해 사용되고 있는 모델 시스템

세포를 기반으로 약물 후보 물질의 스크리닝은 복잡한 유기체 내의 시나리오를 반영할 수 없으므로 현재는 다양한 무척추 및 척추동물을 이용하며 약물의 효능 및 독성을 스크리닝 한다. 최근에는 초파리(Drosophila) 및 예쁜꼬마선충(C. elegans) 등의 무척추동물 모델을 신약 개발 모델로 사용하는 경우도 있다 [14-17]. 이들은 크기가 작고 발생 주기가 짧으며 상대적으로 낮은 유지 관리 비용 및 척추동물의 여러 가지 분자 경로가 보존된 점과 다양한 유전자 조작 및 생화학적 도구의 가용성으로 인해 여러 단계를 거치는 약물 스크리닝 프로세스에 활용할 수 있다 [15]. 하지만 단순한 구조로 인해 빠른 분석이 가능한 장점이 있으나 동시에 이러한 단순한 구조 때문에 인간의 생리를 적절하게 반영하지 못할 가능성이 있어 이용이 제한적이다.

약물의 안전성 시험에 광범위하게 사용되어 온 토끼, 개, 원숭이와 같은 고등 척추동물 모델 및 설치류는 분석 방법이 대체로 시간이 많이 소요되며 약물 투여 후 희생된 동물로부터 수집한 조직을 분석하는 것에 대부분 의존한다. 이러한 단점을 보완하고, 척추동물의 사용을 줄이기 위해 최근에는 경골 척추동물 모델, 특히 얼룩무늬 물고기(제브라 피시, zebrafish)와 메다카(medaka) 등도 발달 생물학과 유전학을 연구하기 위한 모델로 많이 이용된다. 특히. 이러한 종들의 투명한 배아와 큰 표본 크기는 이러한 모델이 제공할 수 있는 가장 큰 이점으로 작용한다 [18-20]. 이러한 경골 척추동물 모델 시스템은 고등 척추동물과 매우 유사한 세포 구조를 가지며, 신호 전달 과정과 인지 행동에 높은 수준의 유사성을 가지고 있어서 인간의 건강을 위협할 수 있는 화학 물질, 의약품, 살충제에 대한 독성 및 효능 스크리닝 수행 가능성이 높다고 판단되어 계속해서 연구되고 있다 [21, 22]. 특히 제브라 피시 배아는 실제로 발달 독성, 신경독성 및 심혈관 독성 모니터링을 위해 사용되고 있다 [23, 24]

동물을 이용한 독성 시험을 대체하기 위해 현재 활용되고 있는 방법

Draize 눈 자극 테스트의 대안으로 제안된 닭의 융모요막(HET-CAM) 검사(Hen's Egg Test)는 화학물질이 융모요막 및/또는 혈관에 미치는 영향(출혈, 용해, 응고)을 평가하여 시험 물질의 자극 수준을 분류하는 데 사용할 수 있다 [25]. 이외에도 죽은 동물의 눈을 분리하여 눈 자극 테스트에 사용하거나 [12, 26], 시험관에서 피부 자극 테스트를 수행하기 위한 몇 가지 3D 상피세포 모델이 개발되었다 [27], 예를 들어 인간 피부 유래 표피 각질 세포로 제조된 EpiOcular™ [27] 및 불멸화 처리된 인간 각막 상피 세포(HCE)인 SkinEthic™는 현재 상업적으로 이용이 가능하다 [28].

시험관 내 눈 자극 테스트를 위해 인간 각막 세포의 1차 배양을 통해 제조된 MCTT HCE™ (Biosolution Co., Seoul, South Korea)를 이용한 약물 독성 테스트가 수행되었으며, 이에 대한 검증 결과가 보고되었다 [29]. 이외에 인간 각질 세포 생존력을 평가하는 (NRU) 분석 [30] 및 피부 부식 가능성 평가에 이용되는 Corrositex™ 분석도 검증된 시험관 내 독성 시험 방법이다. 시험관 내 피부 자극 시험법을 위해 사용할 수 있는 1차 배양된 인간 상피 세포 모델 중 EpiSkin™, Epi-Derm™, SkinEthic™ RhE 및 LabCyte EPI-MODEL은 승인(OECD, 2013) 및 Keraskin™ (Biosolution Co., Seoul, South Korea)은 사전 검증 단계에 있다 [31]. 보다 최근에는 화장품의 피부 독성 시험을 위한 ‘Skin-on-Chip’ [32], 약물 개발에 사용 가능한 'Organs-on-chip’ [33] 기술도 개발되었다.

동물 대체 시험 방법의 장점과 단점

약물 및 화학 물질의 시험에 동물의 사용을 최소화하기 위한 다양한 시험관 내 방법이 제안되고는 있지만, 이들에는 몇 가지 제한 사항 및 단점이 있다. 가장 대표적인 단점은 생체 내의 전신 대사가 시험관 내 배양 조건에서는 일어날 수 없으므로 시험관 내 환경에서는 약물 노출의 약동학을 평가할 수 없다는 것이다. 또한, 서로 다른 세포 유형 간의 상호 작용의 부족으로 인해 특정 장기 및 전신에서의 반응이 시험관 내에서 시뮬레이션될 수 없으며, 현재로서는 모든 조직 및 기관에 대한 시험관 내 시스템이 마련되어 있지 않다 [34, 35].

그럼에도 불구하고 동물 사용에 의한 비윤리적 절차를 근절하고 사용을 최소화하기 위해 시험관 내의 비-동물 실험은 꾸준히 제안되고 있다 [13, 34]. 이러한 대체 실험 방법의 장점은 실험 완료에 걸리는 속도가 빠르고, 여타 조건의 제어가 가능하여 시험 중 판독 값의 변동성 적다는 것이 있다 [34, 36]. 근래에는 줄기세포를 기반으로 한 시험관 내 실험 방법들은 활발히 개발되고 있으며, 이들은 불멸화 된 종양 세포주나 1차 배양 세포를 주로 사용하던 기존의 방법들보다 정확한 결과를 도출할 수 있다고 여겨진다.

2.3 줄기세포

생명체의 발생과 성장의 기원인 줄기세포는 이를 발견하고 분리하는 기술의 출현과 잇따른 수많은 연구를 통해 소화기계, 혈액순환계, 심폐 순환계, 신경계, 근육 및 지방세포 등 많은 조직에서 줄기세포의 존재를 확인했다 [37-44]. 기본적으로 줄기세포는 생명체의 발생 및 성장 과정의 모든 단계에서 발견되지만, 실용적인 목적으로는 생명 발달의 3단계인 초기 배아, 태아 및 성인에서 획득된 세포가 연구 및 응용의 대상이 된다. 줄기세포는 크게 배아 줄기세포와(ESC)와 성체 조직에서 분리된 성체 줄기세포(ASC), Oct4, Klf4, Sox2, c-myc, Nanog 및 Lin28 등을 포함하는 일부 주요 전사 인자를 과발현 하여 성체 체세포를 재프로그래밍하여 유도한 일명 유도 만능 줄기세포(iPSC)로 분류된다 [45, 46]. 각각의 줄기세포의 기원과 장단점은 표 1에 나열된 바와 같다.


표 1. 줄기세포의 종류와 각각의 장단점.
줄기세포의 종류와 각각의 장단점


줄기세포는 다양한 세포 유형으로 분화할 수 있는 능력(다분화능, multipotency)과 스스로 자가 재생하는 능력(self-renewal)을 가지고 있다 [47, 48]. 이러한 줄기세포의 고유한 특성은 표 2에서 알 수 있듯이 각각의 줄기세포마다 조금씩 다르며, 이를 통틀어서 ''Stemness’’ [49]라고 일컫는다. 이러한 줄기세포의 고유한 특징을 통해 학계와 의료 산업계는 다양한 질병 및 장애 치료 분야(예, 파킨슨병, 알츠하이머, 당뇨병, 다발성 경화증, 심장병, 암, 척수 손상, 상처 치유 및 장기 이식)에서 줄기세포의 적용 가능성을 오래전부터 점쳐왔다 [50-62]. 더욱 최근의 이식편대숙주 질환의 치료 [63] 및 조혈모세포 이식의 성공 [56]은 줄기세포가 미래 의료 요구를 충족시킬 수 있는 잠재적 도구가 될 것임을 재확인시켜주었다.

초기 배아는 대부분 줄기세포로 구성되어 있으며, 배아 줄기세포는 일반적으로 연구자들에 의해 초기 배아의 내부 층에서 수집되며, 설치류의 경우 생후 5일 정도 겹겹이 이뤄진 초기 배아 내부에서 획득할 수 있다. 이러한 배아는 시험관 내에서 시험관 수정을 통해서도 제조될 수 있으며, 일반적으로 다른 종의 경우라도 종간 이식이 가능하다. 태아 줄기세포의 경우에는 탯줄의 태반 끝에서 채취한 혈액으로부터 수집되며, 초기의 세포 양이 비교적 적더라도 이후 적절한 프로세스를 거쳐 증식시킬 수 있다. 성체에서 획득한 줄기세포는 이미 특정 장기로 분화된 경우가 많은데, 성인의 경우에도 신체의 모든 조직과 기관에 줄기세포가 존재하는 것으로 알려진다. 성체 줄기세포의 경우 그 발견 정도는 조직마다 차이가 있는데 일부의 경우 발견이 더 용이하다(예, 간, 혈액). 다양한 종류의 혈액 세포를 계속 만들어내는 골수 세포의 경우 줄기세포의 획득이 상대적으로 용이하며, 골수 줄기세포를 유도할 수 있는 성장인자도 잘 알려져 있어서 이를 혈류로 유입시키는 방식으로 골수 줄기세포를 다량 획득할 수 있다.

1970년, Friedenstein에 의해 중간엽 줄기세포(mesenchymal stem cells, MSCs)가 골수에 존재한다는 사실이 밝혀진 이래로, 1999년 Pittinger 등은 골수와 지방조직 등에 존재하는 중간엽 줄기세포(BM-MSC와 AD-MSC)가 배아 줄기세포처럼 인체를 구성하는 다양한 조직 즉 신경, 골, 연골, 지방, 근육 등으로 분화한다는 사실을 밝혀냈다. 이에 따라 중간엽 줄기세포의 세포 치료제로서의 가능성이 확인된 바 있다. 중간엽(mesenchyme)이란. 태아의 성근(loose) 중배엽에서 유래된 결합조직으로 형태적으로 망상 섬유와 비특이적 세포의 성긴 집합체를 포함한 기질이 특징이다. 여기에서 결합조직, 뼈, 연골, 림프관, 혈관 이 발생된다 [64].

일단 실험실에서 분리 배양된 줄기세포는 적절한 프로세스를 거쳐 동결 보존도 가능해서 이론적으로는 차후에 손상된 장기를 복구하는 등의 용도로 사용될 수 있다. 더욱 최근의 일반 체세포를 ''배아 줄기세포 유사 세포''로 재분화 시켜 제조한 ''유도 만능 줄기세포''로 전환하는 기술의 발견 [65, 66]은 줄기세포가 다양한 세포 치료제의 개발을 넘어 머지않은 미래에 인간의 질병, 환자 특이성 그리고 약물 후보 물질 발견과 관련된 개인 맞춤 의학의 경계를 넓혀 제약 산업 분야 전반에 이용될 것이라는 추측을 가능하게 한다.

하지만, 줄기세포의 다양한 잠재력에도 불구하고 아직은 극복해야 할 몇 가지 문제점이 있는데 (표 1), 기형종 형성 가능성과 같은 ESC의 임상적 적용의 한계 [67], 이식 후 면역 반응에 의한 이식 거부 [68], 초기 인간 배아의 파괴로부터 제기된 윤리적 문제 [69] 등이 그것이다. 특히 ESC에 대해 제기된 윤리적 문제는 성숙한 체세포로부터 만능 상태로 재프로그래밍된 iPSC를 제조해내는 기술의 개발로 이어진다 [70, 71]. iPSC는 ESC와 유사하게 자가 재생능력 및 여러 유형의 세포로 분화할 수 있는 특성을 가진다 [72, 73]. 또한 주목할 점은, 특정 질병을 가진 환자 유래의 질병 특이적 iPSC는 질병 병리에 민감한 유전적 배경을 지니므로 질병을 치료할 수 있는 화합물 개발 및 질병 메커니즘을 이해하기 위한 시험을 거쳐 유용한 정보를 얻을 수 있다 [74, 75].

상대적으로 분리가 용이한 중간엽 줄기세포(MSC)의 경우에는 다양한 세포 유형으로 분화되며 다른 치료에 비해 안전하고 윤리적인 문제를 초래하지 않는다는 장점이 있어 재생 의학 부문에서 유망하다 [76, 77]. 특히, 동일한 유전자형을 가진 MSC를 이용한 자가 이식은 면역 거부의 위험을 최소화할 수 있다 [78]. 그럼에도 불구하고 MSC는 증식이 제한되어 수율이 낮다는 문제가 있다 [79].

동물(주로 쥐)의 줄기세포를 이용하여 줄기세포 생물학에 대한 10여 년간의 연구 과정을 거쳐 오늘날에는 인간 줄기세포주를 개발하고 질병을 치료하는 데 사용할 수 있게 하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 또한 줄기세포는 세포가 어떻게 각각의 장기로 분화하는가에 대한 연구를 통해 이를 제어하여 발달 장애의 치료제를 개발하거나 종양 세포의 형성과 계속 분열하는 원인을 연구할 수 있게 하여 항암 기전 연구를 위한 효과적인 모델이기도 하다. 나아가서 줄기세포는 약물의 안전성 및 독성에 대한 동물 실험을 대체할 수 있는 인간 생리와 장기를 더 잘 모방할 수 있는 플랫폼을 제공할 수 있다. 그 밖에 화장품 등의 테스트에 활용될 수 있는 피부 줄기세포를 분리 증식하기 위한 연구도 활발하게 수행되고 있으며, 쥐에서 분리된 피부 줄기세포를 사용하여 수혜 쥐에서 새로운 피부를 성장시키는 연구가 완료되었다.

2.4 약물 개발 과정에서 줄기세포 - 약물 후보 물질 발견

약물 후보 물질 발견 및 기타 제약 연구 분야에서 줄기세포를 이용한 독성 및 약물 효능 실험은(동물을 이용할 경우 매우 까다로운) 다수 화합물의 다양한 농도에 대한 스크리닝이 가능하다는 장점이 있다 [80-81]. 또한 동물 및 인간의 배아 줄기세포의 가용화 및 끊임없이 진화하고 있는 기술, 성체 조직 특이적 신경 줄기세포의 배양 및 인간 유도 만능 줄기세포의 성공적인 배양 [82]은 다양한 용량의 화합물 조합을 시험할 수 있는 스크리닝 기술의 개발로 이어져 [83-85] 약물 후보 물질 발견에서의 줄기세포의 역할은 나날이 커지고 있다.

약물 후보 물질 발견을 위한 생체 외 모델로서의 줄기세포

실험실에서 생체 외 즉 시험관 모델을 사용한 약물 시험법은 최근 크게 향상되었으며, 잠재적인 약물 후보 물질을 식별하는 것뿐 아니라 약동학적 요소 즉 약물의 흡수, 분포, 대사 및 배설에 대한 이해를 높이는 데에도 도움이 된다 [86]. 현재 생명 공학 및 제약 산업에서 주로 사용되는 일반적인 생체 외 모델은 인간 또는 동물 유래의 종양 또는 불멸화 처리된 세포이다 [87, 88]. 이러한 불멸화된 세포주는 획득이 용이하고 배양이 쉽다는 장점을 가지고 있지만, 스크리닝 과정에서 세포 자체의 성장 상태, 비정상적 유전자형 및 생리적 특성에 따라 약물 투여에 대한 높은 변동성을 보임으로써 종종 시험할 수 있는 약물의 수가 제한되거나 후보 물질에 대한 신뢰도를 떨어뜨릴 수 있다는 단점이 있다. 이외에 간세포나 탯줄 내피세포 및 각질 세포의 1차 배양 세포도 사용되는데 이 경우에는 배양이 쉽지 않아 사용이 제한적이다 [89-91].

이러한 이유로 정상 유전자 가지고 일정한 성장 패턴과 균일한 생리학적 특성을 가진 모델 개발의 필요성이 제안되고 있으며, 여기에 적용할 수 있는 것이 줄기세포이다. 줄기세포는 다양한 조직에서 분리될 수 있는 가능성이 있으며 [37-44], 분리된 세포를 시험관 내에서 성장시킬 수 있을 뿐만 아니라 다수의 특수 세포 유형으로 분화시킬 수 있어 약물 후보 물질 및 표적 장기 발견 및 그 검증을 위한 도구가 될 수 있다 [92]. 더군다나 이러한 줄기세포의 활용은 신약 개발 비용을 줄일 수 있을 뿐 아니라 조직 특이적 줄기세포에서 얻어진 결과들은 질병 진행과 관련된 표적 장기 및 병리학적 메커니즘을 임상적으로 연결 지어 해석하는 것을 가능하게 한다.

골수 유래의 중간엽 줄기세포(BM-MSCs)는 약물 후보 물질 발견을 위한 대량 분석 스크리닝의 효율적인 플랫폼이 된다. 이 줄기세포는 뇌, 폐, 심장, 근육 및 탯줄과 같은 다양한 조직으로부터 분리할 수 있다. 또한 이들이 신경 세포, 지방 세포, 근육 세포, 연골 세포 및 골세포 등의 여러 가지 세포로 분화될 수 있음이 입증되었다. 골수 유래 중간엽 줄기세포의 이러한 특징은 자가 재생, 증식, 분화가 가능한 줄기세포를 이용한 약물 스크리닝을 통해 다양한 질병(암, 비만, 당뇨병 및 중추 및 말초 신경계 시스템 장애) 관련 약물 후보 물질 발견을 가능하게 한다 [93-97].

이렇게 제약 산업에서 줄기세포의 잠재적 활용 분야와 장점에도 불구하고 현재로서는 몇 가지 이유로 인해 즉시 사용에는 어려움이 있다. 예를 들어, 줄기세포가 추출된 조직이 다를 경우 각각의 줄기세포는 상이하고 [54], 성장 인자가 풍부한 시험관 내에서 줄기세포를 배양할 경우 생체 내에서의 환경을 정확하게 반영할 수 없다는 문제가 있다 [98, 99]. 또한 줄기세포는 생체 내에서 그것의 전구 세포보다 세포 주기가 느리다고 알려지는데 이 때문에 시험관 내에서 얻어지는 수치의 민감도가 생체 내에서의 그것과 완전 동일하다고 볼 수 없다 [88, 89]. 또한 미분화 조혈모세포의 경우에는 모든 종류의 혈액 세포로 분화할 수 있으나, 근육이나 간에서 추출한 줄기세포의 경우에는 배양을 거듭할수록 기원이 되는 조직으로의 분화능을 서서히 잃게 된다 [100, 101].

종양 줄기세포의 활용한 신약 개발

사실 줄기세포의 자가 재생 및 다분화능은 종양 세포에서도 발견되는 특성이며 이것은 재생 의학 및 신약 시장에서 줄기세포를 더욱 매력적인 도구로 만든다. 최근의 연구에서는 종양이 발생한 조직에서 줄기세포 혹은 종양 유도 세포라고 명명되는 소수의 세포 집단을 발견했다 [102]. 이들 세포는 줄기 또는 전구 세포의 발암성 형질 전환 관정에서 발생하는 것으로 알려지며, 이들은 느린 증식 속도, 높은 자가 재생 능력 및 표준 화학/방사선 요법에 대한 내성들의 줄기세포와 유사한 특성을 가진다 [47, 102]. 이러한 종양 유래 줄기세포를 이용하여 뇌, 신장, 결장, 전립선, 조혈암 등의 종양 세포의 세포 자멸 혹은 세포 주기 정지를 유도하기 위한 종양 줄기세포 표적 치료 전략이 개발되고 있으며, 이러한 치료 전략은 현재의 그것보다 더 효과적으로 종양을 억제할 것으로 보인다 [47, 103].

또한, 종양 유도 줄기세포는 현재의 불멸화 세포주 또는 종양 조직 1차 배양 세포보다 효과적이고 효율적인 항암 약물 발견 플랫폼을 제공할 것으로 보인다 [104-106]. 더군다나, 종양 유도 줄기세포를 시험관 내에서 증식시키면서 종양에 대한 이해를 증진하거나 [107], 전임상 및 임상 시험에서 항암 요법을 시도하는 데 있어서 실패를 줄일 수 있는 약물 스크리닝을 가능하게 할 수 있다 [105]. 다양한 종양에 대해 정상 세포에는 영향 없이 종양 줄기세포만 선택적으로 표적화하여 작용할 수 있는 약물 발견 스크리닝에도 이용된다 [108].

줄기세포를 기반으로 한 약물 후보 물질 선별 및 평가

줄기세포를 기반으로 하여 약물 후보 물질을 선별하고 평가하는 것은 줄기세포를 배양 기질에 접착한 상태로 증식시켜 한 개 층의 시트를 형성하도록 한 후 다양한 종류의 새로운 화합물에 노출시킨 후 이미징 기술을 사용하여 판독하는 과정을 기본으로 한다 [109]. 이러한 이미징 기반 분석 방법은 여러 가지 장점이 있는데 1) 빠르게 판독할 수 있으며 2) 자동화도 쉽고 3) 시간 경과에 따른 분석의 수행이 가능하므로 특정 표현형 발현 시점에 대해 이해를 가능하게 하며 4) 집락 크기, 형태, 증식 형태 및 세포 수를 가시화하여 쉽게 정량화할 수 있다. 최근에는 이러한 이미징 기술과 면역 형광 마커를 결합한 기술도 응용하고 있다. 형광 판독 값을 사용하여 세포의 사멸과 독성을 분석하는 시스템이 이미 상업적으로 이용할 수 있으며, 대량 분석에도 적용할 수 있다는 장점이 있다 [109-112]. 또한 정량적 중합 효소 사슬 반응 및 형광 활성화 세포 분류 등 기타 방법론과의 결합한 기술이나 마이크로 어레이, 침 시퀀싱, 단일 세포 일루미나 기반 시퀀싱 및 프로테오믹스 접근과 결합한 기술의 개발은 신약 선도 물질의 선별과 표적화 및 특성화를 위해 효과적으로 응용될 수 있을 것으로 보여 그 잠재력은 무궁무진하다.

2.5 약물 개발 과정에서 줄기세포 – 독성 실험

줄기세포는 신약 개발 과정에서 질병 기전과 독성을 명확히 하기 위한 목적으로 직접적으로 사용될 수도 있다. 줄기세포를 이용한 실험을 통해 시험 약물의 신경계, 간, 심장 독성에 대한 화합물의 효능과 부작용에 대한 직접적인 평가가 제공된다 [81]. 보다 최근에는 정상인과 질병에 걸린 환자로부터 배아 또는 조직 특이적 줄기세포를 획득하여 독성 시험을 위한 뉴런, 간세포, 심근세포로 분화에 성공하기도 했다 [112]. 줄기세포가 가용하지 않는 경우에는 정상인 또는 질병에 걸린 환자의 체세포를 이용하여 유도 만능 줄기세포로 역분화하여 추가적인 독성 시험을 위해 사용할 수도 있다. 하지만, 이러한 유도 만능 줄기세포의 경우 세포의 특성이 아직 철저하게 분석 및 평가되지 않아 이 세포를 이용한 임상적으로 사용할 수 있는 스크리닝은 아직 불가능하지만 [113], 파킨슨병과 같은 퇴행성 질환이나 뇌졸중, 알츠하이머병, 헌팅턴병과 같은 질환에 대해서는 줄기세포 기반의 신약 개발 프로그램의 등장은 새로운 치료법을 발견하고 고안하는 전통적 방식에 큰 변화를 일으키고 있음은 분명하다 [54, 112].

동물 실험에 대한 대체 방법으로 줄기세포를 사용한 독성 평가 실험

이전의 줄기세포 연구의 주요 초점은 잠재적인 재생 의학 및 임상 응용에 있지만, 서서히 그 영역을 넓혀 독성학에도 적용이 된다 [113]. 현재 독성 시험을 위해 일상적으로 사용되는 시험관 내 세포 배양 시스템에는 주로 불멸화 된 세포주나 1차 배양 세포를 사용하지만, 줄기세포를 기반으로 한 독성 시험은 많은 장점을 보여준다. 표현형이 변칙적으로 나타나는 불멸화 세포주나 배치 간 가변성이 큰 1차 배양 세포와 대조적으로, ESC 및 iPSC는 유전적 정상인 상태의 배양에서도 광범위하게 증식할 수 있다는 장점이 있고 [114, 115], 또한 hMSC를 비롯한 줄기세포의 자체 재생 및 다양한 세포 유형으로 분화되는 고유한 특성도 독성학 연구에 장점이 된다 [116]. 줄기세포가 다양한 계통의 세포로 분화하는 성질 때문에 이러한 분화 효율의 변화가 실험 독성 데이터에 상당한 가변성을 유발할 수 있다는 우려도 있지만, 충분한 양의 세포에서 반복해서 실험한다면 보다 신뢰할 수 있는 독성 시험 데이터를 얻을 수 있다.

인간과 쥐 유래의 ESC, MSC 및 iPSC를 모델로 활용한 독성 시험 연구는 배아 및 발달 독성뿐만 아니라 간독성, 신장 독성, 신경독성 등 다양한 독성 시험으로 확대되고 있다 [117]. ESCs를 사용하여 시험 약물이 배아의 발달 및 분화에 미치는 영향과 독성을 평가하고, ESC 분화와 관련된 바이오마커의 식별하기 위한 다양한 연구가 이루어졌다. 2008년에는 hESC를 사용하여 발달 초기에 비정상적인 형태의 세포자멸사를 유발하는 접착, 집락 형성 및 자가 재생능의 손상 등을 포함하는 배아에 대한 니코틴의 독성 효과를 연구하기도 했다 [118]. 또한 hESC 기반의 실험과 반정량적 및 정량적 RT-PCR을 조합한 결과를 기반으로 마커 발현을 분석하는 방법이 개발되어 개선된 생체 내 발달 독성을 예측법이 제안되었다 [119].

지방조직에 존재하는 중간엽 줄기세포(지방 유래 MSC, AD-MSC)는 골수(BM-MSC)에 비해 1,000배 정도 다량 존재하며, 피하 지방 흡입물에서 쉽게 분리할 수 있다는 사실을 알게 되었다 [120]. 이러한 장점은 지방 줄기세포 배양법의 표준화 및 성체 줄기세포 은행을 구축하여 지방줄기세포 상용화의 기반을 마련하게 하였으며, 이 hAD-MSC를 활용한 독성 실험도 연구되기 시작했다. 2015년에는 hAD-MSC를 사용하여 ICCVAM(동물시험 대체 시험법 검증을 위한 범부처 협동위원회, 미국)에서 권장하는 12가지의 참조 화학물질에 대한 세포 독성을 평가했으며, 이 결과 쥐의 3T3 세포주를 사용한 결과와 유사한 결과가 hAD-MSC에서 얻어짐으로써 hAD-MSC가 동물을 이용한 독성 실험의 대체 모델로 사용될 가능성이 있음을 보였다 [121]. 2017년에는 쥐의 정자 줄기세포에 하이드록시 유레아 처리 후 DNA 손상, ROS 형성 및 세포 사멸 효과를 보여줌으로써 이들 세포가 남성의 생식 독성에도 활용될 가능성이 있음을 보였으며 [122], 최근의 연구에서 유전적으로 불임인 수컷 쥐에 정자 줄기세포 이식한 경우 생식능력이 회복되었다는 연구 결과도 있어서 이후 불임 치료제 개발에 정자 줄기세포가 이용될 가능성도 있다 [123].

인간 iPSC 기반 시험관 내 실험은 인간에게서는 독성이 분명 하나 이전 설치류 및 시험관 내 연구에서 종간 차이로 인해 확인할 수 없었던 물질의 분석을 가능하게 했다. 2014년에는 hiPSC 기반 시험관 내 실험을 통해 '탈리도마이드'의 발달 독성을 시험관에서 처음 보일 수 있었다 [124]. 이 약물은 인간 태아에 악영향을 미치고 기형을 유발하지만, 설치류와 인간 사이의 종간 차이로 인해 설치류 및 시험관 내 생식 및 발달 연구에서는 분명한 기형 유발성이 관찰되지 않았다.

iPSC 유래 조직 특이적 세포는 조직 특이적 독성 시험에 사용할 수 있다. 예를 들어, hiPSC 유래 심근세포를 이용한 심장 독성 스크리닝 연구 [126], hiPSC 유래 간세포를 사용하여 자동화된 간독성 스크리닝 연구 [127], hiPSCs 유래 인간 근위 세뇨관 세포(PTC) 유사 세포를 이용한 근위 세뇨관 독성을 정확히 예측하는 연구 [128] 및 hiPSC 유래 뉴런을 이용한 신경독성 평가 연구 [129] 등이 실시되었다.

또한, hiPSC는 단순한 약물 스크리닝 도구로 사용되는 것뿐 아니라, 이 세포들을 이용하여 특정 질환에 대한 개인 맞춤 약물을 식별하는 데 사용할 수 있다는 점에서 더 큰 의미가 있다. 2010년에 실시된 한 연구에서 '긴 QT 증후군'을 앓고 있는 환자의 가족 구성원들로부터 추출한 줄기세포로부터 환자별 iPSC를 제조하여 긴 QT 증후군의 전기생리학적 특징을 연구했으며, 최근에는 심장 질환이나 파킨슨병 [130] 등에서 특정 질병을 가진 환자를 위한 맞춤 의학 도입을 위해 iPSC를 응용한 연구가 계속되고 있다 [131].

이외에도 세포의 3D 배양하는 기술에 iPSC 유래 조직 특이적 세포를 접목해 생체 내 조건을 더 잘 모방할 수 있는 여러 가지 모델 시스템이 연구 및 개발되고 있다. 2015년, hiPSC을 원시 인간의 심근과 유사한 형태의 배양을 통해 만든 심장체(CB)를 사용하여 약품 처리 후 심장 박동 빈도 분석 및 심장 독성 측정을 수행했다 [132]. 이후에는 hiPSC에서 파생된 3D 간 회전 타원체 시스템을 이용한 간 독성 평가 연구도 수행되었다 [133]. 이밖에도 신경독성 시험에 활용할 수 있는 hiPSC 유래 3D 신경구를 만들기 위한 연구도 계속되고 있다 [134].

3. 결론

손상된 조직이나 장기를 재생하기 위한 재생 의학 분야와 세포 치료제를 개발하는 데에 있어서 다양한 세포로 분화할 수 있고, 자기 재생산이 가능한 줄기세포를 활용하기 위한 노력이 계속되고 있다. 종양 유도 줄기세포를 이용한 연구는 더 나은 항암 요법과 치료제를 고안하는 데 도움이 될 뿐만 아니라 장기적으로는 암을 정복하기 위한 분자 발견을 위한 연구에도 이용될 수 있을 것이다. 일반 체세포를 재프로그래밍하여 유도 만능 줄기세포로 전환한 최근 기술의 발전은 특정 질병 환자로부터 유도된 만능 줄기세포에 대한 연구를 수행할 기회를 제공함으로써 질병의 진행을 지연시키는 선도물질을 찾는 것에 속도를 높이게 하며 나아가 질병의 회복 속도를 증진하거나 궁극적으로 질병을 치료하는 데에 도움을 줄 수 있으며, 환자 맞춤 치료제를 개발하는 것도 가능하게 한다. 또한, 이러한 줄기세포 또는 유도 만능 줄기세포는 환자의 병든 유전자를 치료할 수 있는 치료제의 수송체로써도 이용될 가능성이 있어서 의약 분야에서 줄기세포의 활용 가능 분야는 무궁무진하다.

최근에는 이렇게 줄기세포를 이용한 치료제 개발 분야 이외에도 동물을 이용하여 진행되던 약물 후보 물질 스크리닝이나 선정된 신약 후보 물질의 안정성 및 독성 평가를 위한 전임상 실험에 줄기세포를 활용하는 방안도 학계와 제약 산업계의 큰 주목을 받고 있다. 동물 모델을 이용한 약물 실험의 이점은 유기체 내에서의 약물의 반응에 대한 정보와 유기체 내에서의 약물 효과와 부작용을 제공한다는 것에 있으나, 동물과 인간의 종간 차이로 인해 정확한 반응을 예측할 수 없는 경우가 많고 인간의 인종적 다양성 등에 대한 반응은 전혀 유추할 수 없다는 단점이 있다. 줄기세포는 이러한 동물 실험의 한계를 극복할 수 있는 플랫폼으로서, 줄기세포를 기반으로 한 스크리닝 및 약물 시험은 동물 실험의 단점을 보완할 수 있을 뿐 아니라 비용과 시간 면에서 효율적이며, 동물 실험 절차에 대한 3R 즉, 개선, 축소 및 대체를 이행하는 과정이라고 간주된다. 인간 줄기세포를 기반으로 한 시험관 내 독성 평가 시스템이 구축된다면 독성 메커니즘에 대한 우리의 이해를 개선하고, 현재의 동물 이용 실험에서 문제가 되는 종의 차이가 없으므로 변동성 적은 약효 용량 또는 연령 의존 데이터를 더 인간 모델에 가깝게 제공할 것이다. 또한, 배아 또는 성체 조직 특이적 줄기세포를 통한 인간 장기의 모방은 장기에 대한 약물 검사에 대한 단일 표준을 확립하는 것을 가능하게 할 것이다.

현재로서는 줄기세포를 완전히 이해하거나 자유자재로 변형 및 제어하지는 못하고 있으며, 기형종 형성 가능성이나 윤리적 문제 등 몇 가지 제한 사항이 있으므로 완전히 동물 실험을 대체할 수는 없지만, 줄기세포를 활용한 기술의 발달은 약물 개발의 양상을 바꾸고 동물에 대한 의존도를 낮추고 있다. 또한, 기타 방법론을 결합한 기술이나 이미 사용되고 있던 기술에 줄기세포를 응용한 개선된 기술의 발달로 머지않은 미래에 정상 및 질병 특이적인 인간 줄기세포가 약물 스크리닝, 후보 물질 발견 및 약물 개발 등의 전 과정에 모두 응용될 수 있을 것으로 보인다.

4. 참고문헌

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김연주(2022). 동물 실험 대체법으로서 인간 줄기세포를 이용한 약물 개발 현황 및 전망. BRIC View 2022-T09. Available from https://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=report&id=4173 (Jun 24, 2022)
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