‘미니 인공장기’는 실험실의 쥐와 원숭이를 구할까

[미래] 동물실험 대체 오가노이드의 가능성

국내 실험동물 희생 연 250만마리
그러나 동물에 멀쩡한 약물이
사람에 치명적 결과를 낳기도 한다

줄기세포 이용한 인공장기 만들어
장·심장·간·신장 순환 체외실험
효능·독성 더 정확한 판독 가능해져

한국생명공학연구원 줄기세포연구센터의 정초록 책임연구원이 장기 유사체인 ‘오가노이드’를 이용해 동물실험 대체용 ‘생체모사 비교 시스템’을 작동해 보고 있다. 한국생명공학연구원 제공

드라마에 임신의 메타포로 여전히 헛구역질(입덧)이 등장하지만 화장실에서 임신키트를 들고 있는 모습이 훨씬 현대적이고 과학적으로 느껴진다. 20세기 초라면 어땠을까? 임신부의 소변에서 ‘융모 생식샘자극’(hCG) 호르몬이 발견된 것은 1920년대였다. 태반에서 분비되는 이 호르몬을 이용해 임신 여부를 확인할 수 있었다. 방법은 쉽지 않았다. 임신 여부를 알려면 살아 있는 토끼의 귀에 소변을 주사한 뒤 해부를 해서 토끼의 난소에 항체가 생겼는지를 확인해야 했다. 지금이야 약국에서 몇천원이면 임신키트를 살 수 있지만, 토끼를 쓰지 않고 hCG 호르몬을 검사하는 법을 알아낸 것은 1960년대에 들어서였다. 그동안 수많은 토끼들이 인간의 임신을 확인하느라 목숨을 내놓아야 했다.

제약회사에서 의약품을 생산할 때 하는 발열성 실험이라는 것이 있다. 의약품 생산 과정에 세균에 오염되면 내독소가 쌓여 사용한 사람에게서 열이 난다. 현재도 발열성 실험에 토끼가 사용된다. 하지만 지금은 ‘생물학적 내독소 시험’(LAL시험)이라는 동물대체시험법이 함께 쓰인다. 투구게의 혈액에 의약품을 섞었을 때 굳으면 내독소가 있는 것으로 판정한다. 이 방법은 1977년 미국 식품의약국(FDA)에서 승인이 났다.

동물대체시험법의 등장에도 불구하고 세계에서 한해 몇억마리의 실험동물들이 희생되는 것으로 추산되고 있다. 지난해 우리나라 실험실에서 숨져간 동물만 250만7천마리다. 2012년 183만4천마리보다 37%가 늘었다. 해마다 10% 이상 늘어난 셈이다. 지난해 말 국회를 통과한 화장품법 개정안은 내년 2월부터 ‘동물실험을 실시한 화장품이나 동물실험을 한 원료를 사용해 제조한 화장품’은 수입·유통·판매하지 못하도록 하고 있다. 유럽에서는 이미 2013년 3월 화장품에 대한 모든 동물실험이 금지되고 있다. 국내에도 경제협력개발기구(OECD)에서 표준화한 13개 대체시험법(가이드라인)이 등록돼 권장되고 있다. 그러나 실제 실험동물 수가 줄어들지 미지수다.

동물실험의 대안은 실험에 쓰이는 동물 전부를 다른 것으로 대체하거나 일부분이라도 줄여보자는 것이다. 1959년 영국의 동물학자 윌리엄 러셀과 미생물학자 렉스 버치는 <인도적인 실험기법의 원칙>이라는 책을 발간해 이른바 ‘3R’ 원칙을 주창했다. 할 수 있는 한 실험동물의 수를 줄이고(Reduction), 실험 전 대체방법이 없는지 찾으며(Replacement), 실험 중 동물이 고통을 받지 않도록 실험 절차를 명료하게 해야 한다(Refinement)는 것이다.

동물실험은 인간과 동물 사이에 유사성이 있다는 전제에서 시작됐다. 2세기 로마 의사인 갈레노스가 염소·돼지·원숭이를 해부한 이래 동물은 인간을 이해하는 ‘도구’로 사용돼왔다. 19세기 중반 프랑스 생리학자 클로드 베르나르는 ‘어떤 병이 동물에게서 재현될 수 없다면 그 병은 존재한다고 볼 수 없다’며 동물실험 지상론을 폈다. 그는 남의 집 애완동물을 훔쳐다 실험을 하기도 했다. 그래서였을까, 그의 부인과 딸 심지어 그의 제자까지 동물실험 반대 단체 설립에 뛰어들었다. 20세기 독성학이 발전하면서 동물실험은 불가피한 것으로 받아들여졌다. 1937년 당시 새로운 항생제(설파닐아마이드)를 복용한 107명이 사망하자 동물에게 이 약물을 시험했고 동물들이 죽었다. 이 사례로 모든 약물검사에 동물을 사용해야 한다는 인식이 자리잡았다.

인간-동물 공유질병 단 2%뿐

하지만 인간의 질병 3만여 가지 가운데 동물과 공유하는 건 단 2%도 안 되는 350여개에 불과하다. 약품이 종간 다른 효과를 보인 사례는 적지 않다. 1957년에 입덧 같은 메스꺼움을 없애는 탈리도마이드를 복용한 임신부가 팔다리 발달이 결여된 해표지증 기형아를 낳는다는 사실이 보고됐다. 쥐, 토끼, 개, 햄스터, 영장류, 고양이, 돼지 등 동물들에서는 기형이 거의 발생하지 않는다는 사실이 밝혀진 1962년에야 탈리도마이드는 리콜됐다. 그사이 1만2천명의 신생아들이 물갈퀴를 가지거나 사지가 전혀 없이 태어났다.

반면 페니실린은 동물실험을 하지 않아 살아남았다. 1929년 플레밍은 페니실린이 세균을 죽인다는 것을 알고 토끼에게 실험을 했지만 아무 반응이 없었다. 달리 해볼 일 없는 위중한 환자에게 투여한 뒤 페니실린의 효능이 입증됐다. 플레밍이 만약 기니피그나 햄스터를 대상으로 실험했다면 페니실린은 역사에서 사라졌을지 모른다. 페니실린은 기니피그나 햄스터를 죽이고 쥐에게는 기형을 유발한다. 진통제 타이레놀은 고양이에게 부신기능부전을 일으키고, 아스피린은 생쥐에게 선천성 기형을 야기하며, 애드빌은 개에게 신부전증을 일으킨다. 사람과 동물은 유사하지만 결코 같지 않은 것이다.

의약품 검증의 가장 좋은 방법은 임상시험이다. 하지만 인간을 대상으로 한 실험이기에 약물에 독성이 없다는 것이 입증돼야 가능하다. 나치의 유대인 생체실험, 일제의 731부대 인체 실험, 미국 터스키기 매독 실험처럼 인간을 마루타로 삼을 수는 없는 노릇이다.

동물대체시험법으로는 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하거나 배양세포와 장기배양을 이용하는 방법 등이 있다. 인 실리코(in silico)라 불리는 컴퓨터 독성 예측 프로그램은 화학물질이 가지고 있는 특성을 컴퓨터 시스템에서 검색해보면 70% 정도의 정확도로 독성 스크리닝이 된다. 배양한 세포에 약물을 투여해 얼마나 많은 세포가 죽는지를 알아낼 수 있다. 또 한마리 동물에서 적출한 많은 각종 장기로 많은 수의 동물을 이용하는 효과를 볼 수 있다.

하지만 가장 좋은 방법은 인체와 닮은 조직을 만들어 실험하는 것이다. 3차원 인공피부는 이런 측면에서 주목받는 방법이다. 포경수술 뒤 남은 포피의 상피세포를 2주일 동안 배양하면 사람의 피부와 유사한 인공피부가 만들어진다. 다만 이 피부를 계속 재생해 쓸 수가 없어 포경수술 뒤 남은 피부 조각이 끊임없이 공급돼야 한다는 한계가 있다.

약물은 사람 몸속에서 흡수-분포-대사-배설의 네가지 과정을 거친다. 입으로 약을 먹으면 식도와 위, 십이지장, 소장을 거치면서 혈관으로 흡수된다. 간과 심장을 거쳐 온몸 구석구석으로 퍼져나간 약물은 간과 신장(콩팥)에서 오줌으로 배설되거나 대장을 거쳐 항문으로 배설된다. 주사를 맞거나 피부에서 흡수된 약물은 혈관을 통해 직접 간과 심장에 배달된다. 약물은 이 과정에 약효를 보이기도 하고 독성을 나타내기도 한다.

인체를 빼닮은 아바타를 만들어 약물을 실험한다면 좋겠지만, 설령 과학적 현실이 된다 해도 여전히 인권과 윤리 측면에서 자유로울 수 없다. 2009년 네덜란드 연구팀은 해답을 내놓는다. 생명과학연구소(휘브레흐트연구소)의 한스 클레버르스 박사는 생쥐의 직장에서 얻은 줄기세포를 배양해 내장 ‘오가노이드’를 만드는 데 성공했다. 오가노이드는 인간 장기의 기능을 지닌 유사체를 말한다. 미니장기라 불리기도 한다. 2013년에는 영국 케임브리지대의 매들린 랭커스터 박사가 대뇌피질 등 인간 뇌 속성을 일부 보유한 뇌 오가노이드를 만들었다. 뇌를 닮은 오가노이드는 소두증이 지카 바이러스의 잠재적 위험성이라는 점을 증명하는 데 좋은 시험관 모델로 활용됐다. 지금까지 배양된 오가노이드는 15가지가 넘는다. 오가노이드를 활용하면 몸 밖(인 비트로)에서 약물이 마치 몸 안(인 비보)에서처럼 작용하듯이 실험을 할 수 있다.

국내 동물실험 대체연구 세계서도 주목받아

‘러쉬 프라이즈’ 전부문 후보 올라
“한국팀 신진연구자 수상 가능성”

지난달 말 찾은 대전 대덕연구단지 한국생명공학연구원(생명연)의 줄기세포연구센터에서는 여느 생화학실험실에서처럼 약물이 담긴 시험관들이 자동 장치에 놓여 회전을 하고 있었다. 옅은 붉은색의 액체 속에 기포 말고도 지름이 몇㎜에 불과한 하얀 부유물들이 떠다녔다. 연구 책임을 맡고 있는 정초록 박사는 “얼핏 보면 하얀 찌꺼기 같지만 간 세포들이 서로 뭉쳐 오가노이드를 형성하고 있는 중”이라고 설명했다. 그동안 간세포의 체외 배양은 평평한 배양접시에 영양분인 배지를 깔고 그 위에 세포주를 넣어 자라게 하는 2차원적인 방법을 썼다. 하지만 이렇게 배양한 세포는 간세포의 고유 대사 기능이 현저하게 떨어졌다. 연구팀은 좀더 기능을 잘하는 간세포를 만들기 위해 간 세포주와 혈관세포, 이들을 지지해주는 기저세포(섬유아세포)를 섞어 3차원으로 배양해 간 스페로이드(덩어리)를 제작했다. 간은 뼈에 비해 부드럽고 쫀득한 환경을 가지고 있으며, 간세포는 이런 환경에서 생존 및 기능이 좋아진다. 이러한 점에 착안해 생명연 정경숙 박사 연구팀은 하이드로젤을 재료로 간과 유사한 스캐폴드(세포 사이의 지지체)를 제작하고, 3차원 간 오가노이드를 완성했다. 연구팀에 의해 탄생한 간 오가노이드는 유전체적으로 실제 간과 70% 가까이 일치했다.

몸 밖에서 몸 안처럼 독성 실험

정초록 박사는 ‘실험동물 대체용 인공실험체(NOCS) 구현 사업’을 이끌고 있다. 사업의 출발은 운명적으로 시작됐다. 생명연은 2012년 대내외적으로 연구개발 아이디어 공모전을 열었다. 당시 같은 연구팀의 임정화 연구원이 “동물실험을 대체할 기술을 개발하자”는 아이디어를 내 응모를 했고 최우수상을 받아 소규모 연구를 진행할 수 있었다. 지난해에는 연구원 고유사업으로 채택됐다. 정 박사가 동물실험 대체에 관심을 갖게 된 건 한국인의 암 유전자를 발견한 것이 계기가 됐다. ‘이투-이피에프 유비퀴틴 캐리어’(UCP)라는 긴 이름의 단백질이 암세포의 증식과 전이를 촉진한다는 사실을 규명했다. 또 ‘에니그마’라는 세포 안 단백질이 암세포 증식에 영향을 줘 항암제 내성을 증가시킨다는 사실을 알아냈다. 이런 단백질들을 타깃으로 신약 개발 프로그램을 시작했지만 동물실험 단계에서 독성 때문에 실패했다. 정 박사는 “실험실에서 세포주로 효능과 독성을 검사하는 인 비트로 검사와 동물 체내에서 보는 인 비보 검사 결과가 차이가 있었다. 또 동물에서 보이는 효과가 과연 사람한테 정확하게 나타날까 궁금증도 생겼다”고 말했다. 비용도 적지 않았다. 화합물 1개의 독성 여부를 보는 데만 화합물 투입군, 대조군, 비교군, 세포주 실험군 등 네 그룹에 1마리에 6만원씩 하는 마우스 6마리씩을 배정하면 140만원이 든다. 화합물 10개면 1천만원이 훌쩍 넘어간다. 그것도 자신이 직접 했을 때 얘기다. 동물실험 전문업체에 맡기면 배로 뛴다. 이런 경험들은 정 박사로 하여금 실험동물을 대체하는 좀더 획기적인 생체모사 기술의 필요성을 느끼게 했다.

인공실험체 사업의 목표는 신약 개발 단계에서 비임상시험 또는 전임상시험이라 불리는 동물실험 단계를 실제 장기를 가지고 몸 밖에서 진행하겠다는 것이다. 간 오가노이드처럼 여러 장기를 모사한 유사장기들로 구성된 ‘생체모사 비교 시스템’을 구축중이다. 흡수를 담당하는 장 오가노이드와 대사를 담당하는 간 오가노이드를 주축으로 하고, 독성의 대상이 되는 심장, 뇌, 신장 오가노이드를 서로 연결해 우리 몸과 비슷한 생리작용이 체외에서 실현되도록 한다는 것이다.

갖가지 장기 오가노이드는 만드는 방법도 가지각색이다. 장 오가노이드는 유도만능(IPS) 줄기세포에 특정 단백질을 넣어주면 장처럼 꼬불꼬불한 모양의 세포덩어리들이 만들어진다. 긴 대장이나 소장 전체를 만드는 것은 아니고 장의 기능을 갖춘 장 한 조각을 만드는 것이다. 오가노이드는 1~2㎜밖에 되지 않는다. 김장환 생명연 줄기세포연구센터장은 “신경, 곧 뇌 오가노이드는 실험실 차원에서 만들 수 있다. 하지만 독성 실험을 하려면 브레인블러드배리어(BBB)라는 딴딴한 막을 만들어 약물이 이것을 뚫고 들어오는 과정을 모사해야 한다”고 말했다.

심장도 유도만능 줄기세포에서 심장 근육세포를 분화시킨 다음 특정 스캐폴드에 넣어 만든다. 심장 세포를 공처럼 뭉쳐 만들어서는 심방과 심실이 나뉘어 있고 판막까지 있는 진짜 심장을 모사할 수 없다. 심실 안에 혈액을 넣어 혈압을 측정할 수 있는 2~5㎜ 크기의 미니 심장을 만드는 게 목표다. 생명연 연구팀과 공동연구를 하고 있는 강선웅 한국화학연구원 안전성평가연구소 선임연구원은 “심장이 확장과 수축을 반복하는 것은 심장세포 표면에 있는 통로(채널)를 통해 칼슘이나 포타슘을 흡수했다 배출하는 걸 반복해서다. 심장 오가노이드 표면에 ‘심혈관계에 대한 영향 평가시험용 채널’(HERG채널)을 만들어 약물 후보 물질의 반응 여부를 보려 한다”고 말했다.

신장(콩팥)은 재흡수와 배출 두 기능이 있다. 신장은 대사 작용이 끝난 찌꺼기를 오줌으로 배출하기도 하지만 일부는 모세혈관이 털뭉치처럼 꼬여 있는 사구체를 통해 재흡수한다. 사구체를 모사하기가 쉽지 않아 신장 오가노이드는 아직 개발중이다.

“인공실험체로 동물 희생 20% 줄일 것”

정초록 박사는 “2020년까지 동물실험을 대체할 수 있는 시스템 개발을 완료하는 것이 목표다. 동물실험의 20% 정도를 대체하면 성공하는 것”이라고 말했다. 상용화하면 생체모사 배양장비를 400만~500만원 정도에 만들 수 있을 것으로 보고 있다. 화합물 1개의 독성 동물실험에 들어가는 비용 절반 수준이다. 생체모사 배양장비는 오가노이드만 바꿔주면 반영구적으로 쓸 수 있다. 연구팀은 2025년까지 환자 맞춤형 비임상시험 평가 시스템도 개발할 계획도 세우고 있다. 정 박사는 “암 환자에게서 적출한 암세포를 체외에서 평가해 어떤 약물이 효과가 있는지 신속하게 결과를 도출해야 환자 생전에 치료 방법을 찾을 수 있다. 지금처럼 장시간·고비용이 드는 마우스 기반의 평가 시스템으로는 암 환자 생존기간에 치료법을 찾아내기 어렵다”고 말했다.

최근 국내에서도 동물대체시험법에 대한 관심이 높아지고 있다. 김태성 식품의약품안전평가원 보건연구관은 “지난 4월 오이시디 국가조정자회의에 국내에서 개발한 대체시험법이 ‘업무계획’으로 채택됐다. 업무계획은 가이드라인 채택 전에 진행되는 국가간 자문과 의견 수렴 단계를 의미하는데 최종 결정되기까지 1~2년 걸린다. 오이시디 위원회에서 채택될 가능성이 높다”고 말했다. 식품의약품안전평가원 등 국내 3개 기관이 연구개발한 ‘유세포 분석을 이용한 국소림프절 시험법’은 면역세포에서 림프구가 증식하는 정도를 계량화해 면역독성을 시험하는 방법이다.

올해 동물대체시험 분야 국제상인 ‘러쉬 프라이즈’ 5개 부문 수상자 후보에 한국팀이 모두 포함된 것은 국내의 동물실험 대체에 대한 관심도가 반영된 것으로 보인다. 러쉬 프라이즈는 영국 수제화장품 업체가 2012년부터 과학·교육·홍보·로비·신진연구자 등 5개 부문에서 동물실험 대체를 위해 공로가 있는 인물이나 단체에 주는 상이다. 올해 22개국에서 55개 팀이 최종 후보 명단에 올랐다. 상금은 총 35만파운드(약 5억원)이다. 우리나라에서는 김경민 이화여대 약대 교수가 과학 부문에, 최병인 가톨릭대 교수와 이귀향 박사가 교육 부문, 실험동물 구조단체 비글구조네트워크가 홍보 부문, 화장품법 개정안을 제출한 문정림 전 의원이 로비 부문, 김미주 연세대 치대 연구조교수가 신진연구자 부문에 후보로 선정됐다. 올해 수상자는 10월말 결정되며 시상식은 11월초부터 캐나다와 영국을 거쳐 11월18일에 우리나라에서 마지막으로 열린다. 그동안 일본에서는 수상자가 나왔지만 우리나라에서는 없었다. 김경민 교수는 “올해 시상식이 한국에서 열리는 등 러쉬 프라이즈 쪽이 아시아에서 활동하는 신진연구자 지원을 선포한 터여서 우리나라 젊은 연구자의 수상 가능성이 높다”고 말했다.

글 이근영 선임기자 [e-mail], 인포그래픽 김은정 기자 [e-mail]

‘러쉬 프라이즈’ 수상 트로피. 러쉬 코리아 제공