신약개발, 이젠 생체모사장기칩으로 무분별한 동물희생 막는다

뼈모사칩과 인공지능 이미징 분석기술을 이용한 골다공증 치료제의 획기적인 효능 확인

바이오메디컬분야 저명 Bioengineering & Translational Medicine誌 게재

그림1. 뼈모사칩 플랫폼 모식도_뼈의 미세환경을 모사한 뼈모사칩을 제작하고, 

이 칩을 촬영하여 얻어진 대량이미지를 인공지능(AI) 기술을 적용하여 골다공증 약물테스트 결과를 분석·확인할 수 있음. 

 신약 하나를 개발하기 위해 전세계적으로 연간 수백만 마리의 실험동물이 생을 마감하는 가운데, 유럽·미국 등 선진국을 중심으로 동물실험을 대신할 수 있는 대체시험법 개발과 투자가 확대되고 있다. 대표적인 대체시험법 중 하나로 인체 내 복잡한 생리현상을 재현하고, 실험결과를 정확히 예측·해석할 수 있는 생체모사장기칩 활용에 대한 관심이 신약개발 시장에서 새롭게 조명되고 있다. 

 한국기초과학지원연구원(원장 신형식, 이하 KBSI)은 연구장비개발부 김정아 박사 연구팀이 골다공증 약물의 효능을 정확하게 평가·확인할 수 있는 고속 분석용 3차원 뼈모사칩을 개발했다고 14일(목) 밝혔다. 

 특히, 뼈모사칩에서 얻어진 대량의 세포이미지를 KBSI가 자체 개발한 인공지능 기술을 활용하여, 약물의 정확한 효과를 효율적으로 알 수 있는 이미지 판별방법을 세계 최초로 제시했다. 

 이 모사칩은 뼈의 생리학적인 환경을 모사하고, 인공지능 기반의 첨단 정보기술을 적용해 표적약물의 스크리닝 및 반응 분석을 가능하게 하는 평가 플랫폼을 만든 것으로, 아직 시도되지 않은 분야에 새로운 연구영역을 개척했다는 점에서 의미가 크다. 향후 신약후보물질에 대한 비임상평가나 골다공증 등의 골질환 규명에 큰 도움이 될 것으로 기대된다. 

 본 연구팀은 뼈의 구조적, 생리학적 특징을 분석해, 이를 칩 위에 그대로 옮겼다. 뼈세포에서 추출한 세포외기질* 물질과 수화젤 형태의 콜라겐 물질인 하이드로젤을 골세포와 함께 배합하여 생체적합성은 물론, 뼈세포의 성숙과 특유의 분화능력을 최적화했다. 또한, 이 두 가지 뼈세포를 수직이 아닌 과학적인 분석이 용이한 수평적 구조로 배치하여, 실제 뼈와 유사한 구조적인 특징도 함께 모사했다. 

 *세포외기질(extracellular matrix, ECM) : 세포 사이의 주변부를 채워주는 물질로, 구조적인 지지 등을 담당하는 역할 외에 기능적 활성 물질들이 많이 포함되어 있음.

 이렇게 만들어진 뼈모사칩은 웰 플레이트에 내장될 수 있는 칩 형태로 만들어져 대량 제작에도 유리하며, 이미 상용화된 웰 플레이트 기반의 다양한 분석장비들과도 호환성이 높아, 다각도로 널리 활용될 것으로 전망된다. 또한, 웰 플레이트 안에 내장된 얇고 투명한 뼈모칩사칩과 세포 기반의 고속대량 스크리닝 장비(high-content screening system; HCS)가 만나, 초고속으로 고품질의 광학 이미지를 생산할 수 있다.

 다만, 고속 스크리닝으로 대량 생산된 이미지 데이터는 실험결과를 분석․해석하는데, 많은 시간과 노동이 소요되는 문제가 있다. 이에, 본 연구팀은 자체 개발한 첨단 인공지능 알고리즘 기술을 적용하여, 골다공증 약물의 효능여부를 이미지 분석만으로 판별할 수 있는 아이디어를 제시했다. 

그림2. 딥러닝 알고리즘을 이용한 뼈모사칩 이미지 분석결과_약물을 처리한 뼈모사칩으로부터 사전에 학습된 정보를 바탕으로 약물의 효능이 나타난 실험군과 약물을 처리하지 않은 대조군이 서로 99.5% 이상의 정확도로 구별됨.

 약물이 처리된 뼈모사칩으로부터 베타-카테닌 세포내 핵이동* 과정을 고속 대량으로 촬영하고, 이를 통해 생산된 대량의 이미지를 딥러닝 기반의 인공지능 알고리즘이 사전에 학습을 하여 얻은 정보를 바탕으로, 골다공증 약물의 효능여부를 정확하고 빠르게 판별할 수 있었다. 

 *베타-카테닌 세포내 핵이동 : 윈트(Wnt) 단백질의 신호를 받아 세포 핵 안으로 이동, 세포의 증식과 분화에 관련된 표적유전자의 발현을 조절하는 신호전달 물질

 또한, 골다공증을 유발하는 주요 인자로서, 골형성 저해 단백질인 스클레로스틴(Sclerostin)의 기능을 억제해 뼈의 생성을 촉진하는 항체의약품을 모델로 약물을 처리한 실험군과 미처리한 대조군을 비교하는 테스트를 진행한 결과, 99.5%의 판별 정확도를 획득했다.

사진3. 연구자 사진_(왼쪽부터) KBSI 김정아 책임연구원(교신저자), 백규림 학생연구원(제1저자)

 본 연구결과는 KBSI의 연구장비개발사업과 한국연구재단 기본연구사업의 지원으로 진행됐으며, 바이오메디컬 분야 세계적 권위의 학술지인 ‘Bioengineering & Translational Medicine誌’ 온라인판[논문명: A high-throughput biomimetic bone-on-a-chip platform with artificial intelligence-assisted image analysis for osteoporosis drug testing, IF: 10.711, JCR 상위 4.49%, 백규림(제1저자), 김정아(교신저자)]에 5일(화) 게재됐다.

 KBSI 김정아 박사는 “이번 연구는 장기칩을 실제 동물대체시험법으로 활용하는데 꼭 필요한 기술적인 문제들을 극복하기 위해 고속대량 칩 시스템 제작, 생체재료, 이미징, 인공지능 등 다양한 기술을 융합하여 새로운 시도를 한 것”이라며, “나아가 이번 연구가 뼈 모델은 물론, 다양한 질병모델과 신약평가 플랫폼에 적용될 수 있는 효율적인 접근법이 되길 바란다”고 말했다.  <끝>