제6화 실험실 속 작은 뇌-미세생리모델이란?

Organ-on-a-chip

Jul 26. 2025

FDA 동물실험 대체법, 생명과학의 패러다임 전환

미국에서 신약 개발을 위해 동물실험은 오랫동안 필수적인 과정으로 여겨져 왔습니다. 새로운 약물이 개발되면, 임상시험에 들어가기 전에 쥐, 토끼, 개, 원숭이 같은 실험동물을 이용해 안전성과 효과를 먼저 평가하는 것이 관행이었습니다. 그러나 수십 년간의 경험은 동물 모델의 한계를 명확하게 드러냈습니다. 동물 실험에서 안전하고 효과적이라고 판단된 많은 약물들이 사람을 대상으로 한 임상시험에서 실패하는 사례가 빈번했기 때문입니다. 실제로 신약 후보 물질의 약 90% 이상이 임상 단계에서 탈락하며, 그중 상당수가 사람과 동물 간의 생리학적 차이 때문이라는 분석이 나왔습니다.

이뿐 아니라 동물실험은 윤리적인 문제를 피할 수 없습니다. 동물 복지에 대한 사회적 요구가 커지고, 동물권 보호 운동이 활발해지면서 동물실험을 줄이거나 없애야 한다는 목소리가 커졌습니다. 동물실험에 드는 시간과 비용도 무시할 수 없습니다. 수년 동안 수십억 달러를 투입해야 하는 전통적 방식은 신약 개발의 효율성을 떨어뜨리고 있었습니다.

이러한 배경에서 미국 의회는 2022년 말, FDA Modernization Act 2.0이라는 역사적인 법안을 통과시켰습니다. 이 법은 1938년 제정된 기존 규정에서 신약 개발 시 동물실험 결과를 반드시 제출해야 한다는 의무를 폐지한 것입니다. 대신 연구자와 제약기업은 미세생리모델(Microphysiological System, MPS), 3차원(3D) 인체 조직 모델, 컴퓨터 기반 예측 모델(in silico model) 등 새로운 기술을 활용한 데이터를 제출할 수 있게 되었습니다.

이는 단순한 법 개정이 아니라 연구 패러다임의 근본적인 전환을 의미합니다. 과거에는 동물실험이 사람의 생리 반응을 간접적으로 예측하기 위한 ‘유일한 길’로 여겨졌다면, 이제는 실제 사람 세포와 조직, 인공지능 기반 분석, 칩 기반 장기 모사 시스템 같은 직접적이고 더 정밀한 방법으로 대체할 길이 열린 것입니다.

새로운 길을 여는 기술

이 법안으로 인해 제약·바이오 기업들은 기존보다 훨씬 사람 중심적인 연구 플랫폼을 활용할 수 있게 되었습니다. 특히 Organ-on-a-Chip과 같은 미세생리모델은 작은 칩 안에 실제 사람의 세포를 배양하고, 혈류와 유사한 흐름을 재현함으로써 특정 장기의 기능과 약물 반응을 관찰할 수 있습니다. 기존 동물모델에서 예측하기 어려웠던 인간의 고유한 대사 특성과 질병 기전을 더 정확하게 연구할 수 있게 되는 것입니다. 또한 인공지능(AI)과 컴퓨터 모델링은 방대한 데이터를 바탕으로 약물의 안전성과 효능을 시뮬레이션하여 후보 물질을 보다 빠르게 선별할 수 있게 합니다.

기대되는 변화와 사회적 의미

이 법이 가져올 변화는 단순히 동물실험 감소에 그치지 않습니다. 연구와 신약 개발의 시간과 비용 절감, 실패율 감소, 그리고 더 나아가 윤리적 기준 향상이라는 다방면의 효과를 기대할 수 있습니다. 특히 사회적으로 동물실험에 대한 비판이 줄어들고, 생명윤리 측면에서 한 단계 진보한 시스템을 갖출 수 있게 됩니다.

동시에, 이런 변화는 새로운 과제를 동반합니다. 동물실험 대신 사용되는 기술들이 얼마나 신뢰할 수 있는지를 평가할 수 있는 국제 표준화와 인증 시스템이 필요합니다. 규제기관이 어떤 실험 방법과 데이터를 어떻게 인정할 것인지에 대한 명확한 지침 마련도 필수적입니다.

알츠하이머병과 같은 난치성 질환 연구에 미칠 영향

이 새로운 법은 특히 알츠하이머병처럼 기존 동물 모델로 연구하기 어려운 복잡한 질환 연구에 큰 전환점이 될 수 있습니다. 예를 들어, 뇌-혈관 장벽(Blood-Brain Barrier)을 재현한 칩 기반 모델을 활용하면 알츠하이머 치료제 후보가 실제 사람의 뇌에 도달할 수 있는지를 실험실에서 미리 평가할 수 있습니다. 또한 신경염증, 단백질 축적 등 알츠하이머병의 주요 병리 기전을 더 정확히 재현할 수 있어 새로운 치료 전략 발굴 가능성이 커집니다.

FDA Modernization Act 2.0은 동물실험이라는 오랜 전통을 넘어서는 역사적 전환점입니다. 이 법은 신약 개발 과정의 패러다임을 바꾸고, 사람 중심의 연구 모델과 기술 발전을 촉진하며, 윤리적으로 더 책임 있는 연구 환경을 구축하는 길을 열었습니다. 특히 미세생리모델과 같은 첨단 기술이 더 널리 보급되면, 우리는 동물실험에 의존하지 않는 미래로 나아갈 수 있고, 난치성 질환 연구와 치료법 개발에 한층 더 가까워질 수 있을 것입니다.

생명과학의 발달과정

생물학과 미세생리모델의 해석학적 순환 (Wikswo et al., 2014)

생명과학의 발전은 인체를 이해하려는 노력에서 시작되었습니다. 초기에는 Anatomy(해부학)를 통해 인체의 형태와 구조를 관찰하고 장기와 조직의 물리적 특징을 규명하였습니다. 이후 Physiology(생리학)의 발전으로 각 장기가 어떻게 기능하고 서로 상호작용하는지에 대한 연구가 이루어졌습니다. 이어서 Cell Biology(세포생물학)가 부상하면서 개별 세포가 생명 현상의 기본 단위임이 밝혀졌고, 세포 내 소기관과 신호 전달 과정, 세포 간 네트워크가 연구되기 시작했습니다. 이러한 접근은 점차 세포 수준에서 분자 수준으로 확장되어, Molecular Biology(분자생물학)가 DNA, RNA, 단백질 등 분자적 기전을 중심으로 생명 현상을 해석하게 하였습니다. 더 나아가 분자의 3차원 구조와 기능의 관계를 탐구하는 Structural Biology(구조생물학)가 발전하였고, 결국 유전체 전체를 다루는 Genomics(유전체학)가 등장하여 생명 현상을 시스템적으로 이해하는 시대가 열렸습니다.

이러한 축적된 지식을 기반으로 생명과학은 단순한 관찰과 분석에서 나아가, Systems Biology, Integrative Physiology, Quantitative Systems Pharmacology와 같은 통합적 접근으로 발전했습니다. 특히 2014년 이후 등장한 Microphysiological Systems(MPS)는 인체 장기 특성을 칩(chip) 위에서 재현하는 플랫폼으로, 세포와 조직, 장기의 상호작용을 작은 실험 시스템에서 구현할 수 있게 하였습니다. 이는 동물모델에서 인체모델로의 전환을 가속화하며, 약물 개발, 독성 평가, 질병 모델링에 있어 기존보다 훨씬 인간 생리학에 가까운 예측력을 제공하는 혁신적인 연구 도구로 자리매김하였습니다.

미세생리모델(MPS) – 인체를 실험실 안에 담다

의학과 생명과학은 오랫동안 질병의 원인을 밝히고 새로운 치료법을 찾기 위해 동물실험에 의존해 왔습니다. 쥐 나 토끼, 원숭이 같은 동물은 사람과 유사한 생리적 특성을 일부 갖고 있었기 때문에 인간 질병을 연구하는 모델로 사용되어 왔습니다. 그러나 종간 차이(species difference)는 여전히 극복하기 어려운 한계였습니다. 동물에서 효과가 있었던 치료제가 실제 사람에게는 효과가 없거나, 예상치 못한 부작용을 유발하는 사례가 반복되었습니다. 또한 동물실험은 비용과 시간이 많이 들고, 윤리적 비판도 지속적으로 제기되었습니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 등장한 것이 미세생리모델(Microphysiological System, MPS)입니다. MPS는 인체의 일부 기능을 작은 실험 장치 위에 구현하는 기술입니다. 작은 투명 칩 안에 사람의 세포를 배양하여 특정 장기의 구조와 기능을 재현하는 방식으로, 혈류나 조직 간 체액 흐름 같은 복잡한 생리 현상까지 실험실 안에서 재현할 수 있습니다.

이 기술은 몇 가지 핵심 요소로 구성됩니다. 첫째, 사람 유래 세포를 이용합니다. 환자의 피부세포나 혈액세포를 유도만능줄기세포(iPSC)로 전환한 뒤, 이를 신경세포나 심근세포, 간세포 등 특정한 세포로 분화시킵니다. 이렇게 하면 환자 특유의 유전적 특성을 반영한 모델을 만들 수 있습니다. 둘째, 미세유체 시스템(microfluidics)이 적용됩니다. 칩 내부에는 미세한 채널이 있어 혈액과 유사한 유체가 흐르며, 세포들은 실제 인체와 유사한 환경에서 반응하게 됩니다. 셋째, 3차원(3D) 구조로 세포를 배양하여 실제 조직과 유사한 형태와 기능이 발현되도록 합니다. 여기에 전기신호를 감지하거나 대사물질 농도를 측정하는 센서가 탑재되어 실시간으로 생리학적 변화를 분석할 수 있습니다.

이러한 특성 덕분에 미세생리모델은 신약 개발, 독성 평가, 질병 모델링 등 다양한 분야에서 새로운 기회를 제공하고 있습니다. 예를 들어, 알츠하이머병 연구에서는 뇌-혈관 장벽(Blood-Brain Barrier, BBB)을 모사한 칩을 이용해 약물이 뇌로 들어가는 과정을 실험할 수 있습니다. 기존 동물 모델에서는 뇌로 약물이 전달되는 정도를 정확히 평가하기 어려웠지만, MPS를 활용하면 실제 사람과 유사한 환경에서 신약 후보를 시험할 수 있습니다. 또한 알츠하이머병의 특징인 아밀로이드-베타 단백질 축적이나 신경 염증 반응을 사람 세포 기반으로 재현할 수 있어 병리 기전 연구에 큰 도움을 줍니다.

최근 미국 식품의약국(FDA)은 FDA Modernization Act 2.0을 통과시키면서 신약 심사 과정에서 동물실험을 의무적으로 요구하던 기존 규정을 폐지했습니다. 이 법은 신약 개발에 있어 동물실험 대신 미세생리모델이나 컴퓨터 시뮬레이션과 같은 첨단 시험법을 사용할 수 있도록 허용합니다. 이는 동물실험 의존도를 낮추고 사람 중심의 시험법으로 전환하는 중요한 전환점입니다.

미세생리모델은 아직 초기 단계이지만, 그 잠재력은 매우 큽니다. 현재는 심장(Heart-on-a-Chip), 간(Liver-on-a-Chip), 폐(Lung-on-a-Chip), 뇌(Brain-on-a-Chip) 등 개별 장기를 모사하는 단계에 머물고 있지만, 가까운 미래에는 여러 장기를 연결해 인체 전체를 모사하는 Body-on-a-Chip으로 확장될 가능성이 큽니다. 이렇게 되면 약물이 체내에서 어떻게 흡수되고, 대사 되고, 배설되는지를 실험실 안에서 전신 수준으로 평가할 수 있습니다.

Organ-on-a-chip은 사람의 장기 구조와 기능을 모사하기 위해 미세유체칩 위에 실제 사람 세포를 배양하여 만든 소형 생체 모사 장치입니다. 이 칩은 혈류를 재현하는 미세 채널과 3차원 세포 배양 구조를 갖추어 장기 특유의 생리학적 환경을 모사할 수 있으며, 이를 통해 약물 반응, 독성 평가, 질병 메커니즘 연구를 실제 사람과 유사한 조건에서 수행할 수 있습니다. 기존 동물실험보다 사람 생리와의 유사성이 높아 신약 개발의 성공률을 높이고, 맞춤형 치료 전략 수립과 동물실험 대체라는 측면에서 주목받고 있는 첨단 바이오공학 플랫폼입니다.

이러한 발전은 단순히 동물실험을 줄이는 데 그치지 않습니다. 환자 맞춤형 치료, 희귀 질환 연구, 정밀의료, 심지어는 인공 장기 개발과 재생의학 같은 첨단 분야로 연결됩니다. 인간의 생리와 질병을 실제 사람 세포 기반으로 재현할 수 있다는 것은 연구자들에게 매우 큰 기회이며, 동시에 생명과학의 철학적 지형을 바꿀 수 있는 사건입니다.

미세생리모델은 우리에게 질문을 던집니다. “우리가 지금까지 당연하다고 믿어온 동물실험 중심의 연구 패러다임이 정말 최선이었는가?” 그리고 이 질문에 대한 답을 찾는 과정에서 인류는 동물실험 없는 신약 개발이라는 목표에 더 가까이 다가가고 있습니다. 나아가 알츠하이머병 같은 난치성 질환의 치료법 개발 가능성은 더욱 커지고 있으며, 우리는 이 과정을 통해 인간 생명의 신비에 한 발 더 다가서고 있습니다.

인공지능과 결합하는 미세생리모델의 미래

미세생리모델(Microphysiological System, MPS)은 인체의 장기나 조직의 구조와 기능을 실험실 안에서 모사하는 첨단 기술입니다. 여기에 인공지능(AI)이 결합되면, 생명과학 연구와 의약품 개발의 방식은 지금보다 훨씬 정교하고 빠른 속도로 진화할 것으로 예상됩니다.

MPS는 사람 세포를 이용해 실제 장기와 유사한 환경을 구현함으로써, 질병 연구와 약물 반응 평가에서 기존 동물실험보다 높은 예측력을 보여줍니다. 하지만 MPS가 생성하는 데이터는 방대하고 복잡합니다. 세포의 행동, 유전자 발현 변화, 대사물질 농도, 전기생리학 신호 등 수많은 변수를 실시간으로 측정하게 되면 그 양은 인간 연구자가 손으로 분석하기 어려울 정도가 됩니다. 바로 이 지점에서 인공지능이 중요한 역할을 합니다.

AI는 방대한 데이터를 처리하고 패턴을 찾아내는 데 특화된 기술입니다. MPS에서 발생하는 데이터는 비정형적이고 동적이며, 장기간 추적해야 의미를 알 수 있는 경우가 많습니다. 예를 들어, 약물 후보 물질이 신경세포의 연결망에 미치는 영향을 평가할 때, 전기신호 패턴의 변화를 사람이 일일이 판독하는 것은 거의 불가능합니다. 하지만 AI 기반 신호 처리 알고리즘과 딥러닝 모델을 적용하면, 수십만 개의 신호 데이터를 실시간으로 분석하고 약물 효과를 정량화할 수 있습니다.

특히 AI는 단순한 데이터 분석을 넘어 예측 모델을 구축할 수 있습니다. 예를 들어, 특정 유전자 변이 환자의 세포를 이용해 만든 미세생리모델에서 얻은 데이터를 기반으로, AI는 약물 반응성을 예측하거나 새로운 치료 후보를 제안할 수 있습니다. 이는 신약 개발 과정에서 임상 실패율을 낮추고, 맞춤형 치료 전략을 빠르게 개발할 수 있도록 돕습니다.

또한 MPS와 AI가 결합하면 디지털 트윈(Digital Twin) 개념도 실현할 수 있습니다. 디지털 트윈은 실제 환자의 세포와 조직 특성을 반영한 가상 실험체를 의미하는데, 환자 맞춤형 미세생리모델 데이터를 AI가 분석하면, 가상의 ‘환자 장기’를 만들 수 있습니다. 이를 통해 특정 약물이 해당 환자에게 어떤 효과와 부작용을 나타낼지 실험실에서 미리 확인할 수 있습니다. 이 기술은 개인 맞춤형 의료(Precision Medicine)를 한 단계 더 앞당길 것으로 기대됩니다.

디지털 트윈이란?

디지털 트윈(Digital Twin)은 현실에 존재하는 사물, 시스템, 또는 인체 장기와 같은 물리적 대상을 가상공간에 동일하게 구현한 디지털 복제체를 의미합니다. 실제 대상에서 발생하는 데이터를 실시간으로 반영하여 가상의 모델에서 동작과 상태를 시뮬레이션하고 분석할 수 있으며, 이를 통해 미래 상태를 예측하거나 최적의 운영 전략을 수립할 수 있습니다. 의료 분야에서는 환자의 생체 정보와 세포 데이터를 기반으로 개인 맞춤형 장기 디지털 트윈을 만들어 약물 반응을 예측하거나 질병 진행을 분석하는 연구가 활발히 진행되고 있으며, 이는 맞춤형 치료와 동물실험 대체 등 혁신적인 의료 기술로 이어질 가능성이 큽니다.

제약 산업 역시 큰 변화를 맞게 됩니다. 기존에는 후보 물질 수천 종 중에서 임상까지 도달하는 것은 극히 일부에 불과했지만, AI는 초기 단계에서 효능이 낮거나 부작용 위험이 큰 후보를 빠르게 걸러낼 수 있습니다. MPS는 이 과정을 위한 실제 생체 반응 데이터를 제공하고, AI는 그 데이터를 기반으로 가상 스크리닝(virtual screening)과 약물 최적화를 수행하게 됩니다. 이 조합은 신약 개발 기간을 단축시키고 비용을 획기적으로 줄일 수 있는 잠재력을 지니고 있습니다.

향후 규제기관(FDA 등)도 이러한 변화를 적극적으로 반영할 가능성이 큽니다. 이미 FDA는 동물실험 대신 MPS와 인실리코 모델(in silico model) 데이터를 활용할 수 있도록 허용하는 방향으로 규제를 개정했습니다. 앞으로는 AI가 해석한 MPS 데이터가 신약 평가의 표준 자료로 활용되는 시대가 열릴 수 있습니다.

결국 인공지능과 미세생리모델의 결합은 단순히 두 기술의 합이 아니라, 생명과학과 의학 전반을 재구성하는 새로운 패러다임입니다. 우리는 이 기술이 단순히 실험 효율성을 높이는 수준을 넘어, 인간 질병의 본질을 이해하고, 개개인에 맞춘 최적 치료법을 제공하며, 더 나아가 동물실험 없는 신약 개발이라는 목표를 실현할 수 있는 길을 열어줄 것이라고 기대할 수 있습니다.