미라클 모닝을 하는 일잘러들의 참고서 가장 비싼 의약물 중 하나인 졸겐스마는 한방에 무려 20억원(비급여 기준)입니다! 근육이 점차 위축돼 똑바로 앉아 있기도 어려운 유전 질환인 척수성근위축증을 앓는다면, 이 약이 꼭 필요해요. 한 번만 맞으면 완치에 가깝게 회복되지만, 일반인은 맞을 엄두를 내기 어려운 금액입니다.
사람의 소원 중 한가지를 꼽으라면 아프지 않고 오래 오래 사는 것일텐데요. 그래서 삶에 대한 염원이 바이오 산업을 성장시킵니다. 바이오협회에 따르면 전 세계 의약품 시장은 2022년 1조 4,820억 달러 (1944조원)에서 연평균 3~6% 증가해 2027년에는 1조9,170억 달러(2515조원)로 성장할 전망입니다.
바이오 산업은 반드시 필요하지만, R&D 비용이 많이 들어갑니다. 그동안 AI가 물질 발굴과 분석에 쓰이면서 가격을 낮추는데 기여했습니다. 하지만 인류에겐 여전히 큰 숙제가 남아있습니다. 바로 실험실에서 죽어나가는 2억마리 동물인데요.
오늘날 딥테크인 인공장기인 AO (Artificial Organs) 기술이 동물실험을 대체하면서도 비용은 낮추는 딥테크로 부상하고 있습니다. AO가 어떻게 바이오 산업을 재편할지 그리고 동물복지를 어떻게 향상시킬지 짧으면서도 깊이있게 살펴보도록 하겠습니다. |
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- Artificial Organs A to Z
- 오가노이드가 바꿀 바이오
- 동물을 살리는 오가노이드
- 존스홉킨스대 김덕호님 인터뷰
- 바이오편 복습하기
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인공장기 발달 과정: 1. 페니키아인의 틀니 2. 로버트 자빅 박사가 만든 인공심장 자빅-7. 3. 3D 바이오프린팅으로 만든 인공 귀. 4. 매사추세츠 종합병원에서 배양한 쥐의 다리
바이오의 게임 체인저로 'AO'를 꼽은 이유는 여기에 있습니다. 약물 출시 전 동물을 상대로 실험하는 '전임상 실험'을 인공장기가 대체하려는 움직임이 있기 때문인데요. 이 부분은 뒤에서 다루도록 하겠습니다! 먼저 인공장기가 무엇인지 짧게 볼게요.
AO, 그 길고 짧은 역사
기원전 700년경 오늘날 레바논 인근. 페니키아인들은 첫 인공장기인 '틀니'를 만들었어요. 원시적 틀니는 코끼리 상아를 사용했는데요. 빠진 이 부분에 이빨 모양으로 갈아낸 상아를 얹히고 구멍을 뚫어 그 옆에 있는 이빨과 금실로 묶었습니다.
근대적 인공장기는 1980년대 유타대 박사였던 로버트 자빅이 만든 인공심장 자빅-7 Jarvik-7! 인조 판막으로 심장 심실을 모두 만들었고, 외부에 있는 공기주입기가 압축공기를 심장에 밀어 넣어 혈액을 돌렸습니다. 그리고 1982년 12월 바니 클라크가 첫 고객이 됩니다만, 112일만에 사망합니다. 이후 급격한 발전을 맞아 오늘날에 인공장기 종류는 엄청나게 많습니다. 망막 심장 폐 췌장 신장 간 골격 치아 등등.
AO를 만드는 세가지 방법
인공장기를 만드는 방법에는 크게 세가지가 있는데요. 하나씩 살펴 보겠습니다.
1️⃣ 이종장기(Xenotransplantation): 쉽게 말해 동물 장기를 떼어내 사람에게 이식하는 기술입니다. 2022년 메릴랜드대 병원에서는 돼지 심장을 50대 남성에게 이식한 사례가 있었어요. 단점은 면역 거부반응인데요. 현재 돼지 심장을 원숭이에게 이식했을 경우 생존기간이 60일 정도라고 합니다. 10년 전 10일에서 6배 가까이 늘었지만, 여전히 걸음마. 돼지 간을 이식한 기록은 35일! (관련 기사)
2️⃣ 3D 바이오프린팅: 살아있는 세포를 바이오잉크와 섞어서 3D 프린팅으로 AO를 제작하는 기술입니다. 최근에는 다종의 세포를 동시에 프린팅하여 원하는 조직이 갖고 있는 미세구조와 다양한 세포들의 조성 또한 생체모방할 수 있는 AO를 프린팅 하는 기술로의 영역이 확장 되고 있는데요. 다양한 조직을 3D 바이오프린팅으로 제작하는 기술을 연구하는 Wake Forest 재생의학연구소 (WFIRM), 미국 Cellink, 혈관을 만드는 중국 레보텍, 국내에는 티앤알바이오팹이 대표적입니다. (관련 기사)
3️⃣ 오가노이드 (Organoid): 줄기세포를 3차원으로 배양해, 체내에 일어나는 기관 발생 과정을 체외에서 유사하게 장기모사체를 만드는 기법입니다. 현재는 대뇌, 위, 심장, 침샘, 장, 폐 외에도 다양한 장기의 기능을 모사할 수 있는 미니어처 조직을 만드는 수준에 도달했습니다. (관련 기사)
- 📚 용어사전: 줄기세포 (stem cell)는 분화가 되지 않아 체내의 모든 세포로 분화될 수 있는 세포를 가리킵니다. 자가증식 능력 및 분화능력이 있어 근육 세포, 뉴런, 피부 등을 만들 수 있습니다. 크게 성체줄기세포와 배아 발화과정에서 추출한 배아줄기세포, 그리고 야마나카 신야 교수가 발견한 4가지 유전자를 도입하여 체세포를 배야줄기세포와 같이 만등분화능력을 갖게 만든 유도만능줄기세포가 있습니다.
🔎 크게보기 : 2021년 말 현재 장기이식 대기환자수는 약 4만1334명에 달합니다. 이식 대기 중 사망자만 2480명인데요. 인공장기는 이들의 삶을 지켜줄 뿐 아니라, 오가노이드의 경우 전임상 실험 대상인 동물을 대체한다는 점에서, 동물복지는 물론 의약품 가격 하락에도 큰 기여를 할 것으로 보입니다.
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인공두뇌 오가노이드: 미시간대는 신경 퇴행성 질환을 연구하고자 인공두뇌를 만들었습니다. 미니어처 두뇌! (출처 뉴로사이언스)
오가노이드는 어떻게 바이오를 바꿀까
미래 바이오산업의 게임처는 오가노이드입니다. 오가노이드는 장기인 Organ과 유사한이란 뜻을 지닌 접미사 -Oid의 합성어입니다. 즉, 장기 모사체?!. 오가노이드 역사는 2007년 네덜란드 후브레흐트 연구소의 한스 클레버 박사로 거슬러 올라갑니다.
빠른 속도로 성장한 오가노이드
클레버 연구팀은 장에 있는 줄기세포가 장 조직에 오목하게 들어간 움(Crypt: 세포의 증식이 이루어지는 구조)의 바닥 면에 위치해 있고, 이러한 장내 줄기세포가 Lgr5라는 단백질을 과 발현한다는 사실을 간파했습니다. (논문)
- 📚 용어사전 Lgr5: Lgr5: 소화기에는 소화를 돕는 온갖 세포들이 있는데요. 이 세포는 계속해서 새 세포로 교체됩니다. Lgr5를 발현하는 장내 줄기세포는 이 때 새로운 장 상피세포를 생성 (자가증식 능력)하는 역할을 합니다. 머리카락을 자라게 하는데도 필요.
클레버 박사는 장조직으로부터 장 줄기세포를 성공적으로 분리 및 배양하였고, 이러한 장 줄기세포를 기반으로 실제 장 조직의 기능을 (생체)모사하는 장 오가노이드를 만드는데 성공! 네이처에 발표를 합니다. 2009년 일입니다.역할을 합니다. 머리카락을 자라게 하는데도 필요.
학계는 흥분했습니다. 이후 오스트리아 분자생명과학연구소의 쥐르겐 노블리취 박사는 모든 종류 세포로 분화가 가능한, 전분화능줄기세포를 활용 인간 두뇌 구조를 체외에서 구현하는데 성공했습니다. 2013년이었습니다. 이어 간, 췌장, 심장, 모낭, 침샘, 혈관 등 다양한 장기에 대한 오가노이드 제작 기법이 자리를 잡았습니다.
- 📚 용어사전 전분화능 줄기세포: 이론적으로는 체내의 모든 종류의 세포로 분화할 수 있는 능력을 가진 줄기세포입니다. 수정란에서 얻는 배아줄기세포가 대표적! 하지만 윤리적인 문제와 공여자와 수혜자 숙주 사이에서 면역거부반응이 일 수 있어서, 현재는 체세포를 유전자 조작으로 거의 배아줄기세포와 흡사하게 만든 유도만능줄기세포 등이 나왔습니다.
이렇게 만들죠! 인공심장
만드는 과정을 매우 간단히 살펴보면 이렇습니다.
1️⃣ 스캐폴드(Scaffold) 제작: 스캐폴드는 조직이나 세포를 지탱해주는 재료(예: 생체적합성폴리머)입니다. 틀이라고 보시면 될듯합니다. 심장을 만들려면 심장 조직을 형성해줄 3D 구조물이 있어야 합니다.
2️⃣ 세포 배양 및 시험: 스캐폴드에 심근세포 또는 줄기세포를 주입해 배양합니다. 세포는 스캐폴드에 부착돼 무럭무럭 성장합니다. 이후 실험장비를 사용해 제대로 심장이 수축 이완되는지 평가합니다. 기능이 작동하나?
3️⃣ 조절과 최적화: 심장 세포 기능을 향상시키는 단계입니다. 시험 결과를 토대로 스캐폴드 재료와 구조를 최적화합니다. 스캐폴드가 향상되면 인공심장에 가까워 집니다.
4️⃣ 인체에 적용: 마지막 단계입니다. 인공심장이 생체에 적합한지, 장기 이식 가능성이 있는지 등을 확인합니다. 임상시험을 위한 근거를 마련합니다.
🔎 크게보기: 오가노이드는 사람의 장기를 대체하는데만 쓰이지 않습니다. 의약품 테스트인 전임상에 쓰일 동물을 대신할 수 있고, 환자 자신으로부터 추출한 세포를 사용하면 환자맞춤형 질병 메커니즘을 연구하는데도 쓰이며, 화학물질 독성 평가할 때도 쓸 수 있습니다.
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김덕호 존스홉킨스대 교수 겸 큐리바이오 창업자: 김덕호 교수(왼쪽)와 큐리바이오가 만들고 있는 다양한 오가노이드. 플레이트를 24개 다양한 질환을 앓고 있는 장기로 구성할 수 있습니다.
머리카락 크기 심장이 뒤바꿀 미래...김덕호 교수 인터뷰
이번 주 운좋게 한국방문중인 존스홉킨스의과대 의생명공학과의 김덕호 교수님을 만날 수 있었습니다. 그는 워싱턴대 교수로 있으면서 오가노이드의 미래를 보고 2015년 창업을 했다고 하는데요. 큐리바이오 (홈페이지)는 호기심을 뜻하는 Curiosity와 치료를 뜻하는 Cure를 뜻한다고 합니다. 최근에 국제우주정거장에 오가노이드 기반 인공심장칩을 보내 무중력 상태에서 심장노화과정을 관찰하고, 약물 테스트하는 프로젝트를 진행하고 있습니다. (다음은 Q&A)
🤫 장점은 무엇인가요
👨 전임상에서 동물 활용이 일반적인데요. 동물 사람 실험간에 잘 맞는다는 항암제마저도 적합성이 5%에 지나지 않습니다. 반면 오가노이드는 동물복지에도 좋고 실험 결과도 좋습니다. 또 전임상이 신약 개발 비용의 40%를 차지하기 때문에 이 비용을 낮출 수 있습니다.
🤔 FDA 승인도 얻었나요
👨 동물 실험을 해서 FDA 승인을 받는 것이 그동안 일반적인 과정이었는데요. 바이든 정부들어 오가노이드를 활용한 실험도 FDA 승인을 받을 수 있도록 법령을 개정한 상태입니다.
🤫오가노이드가 작은데 괜찮나요
👨머리카락 굵기는 약 100마이크론(0.1mm)인데요. 오가노이드는 대체로 약 300~400마이크론입니다. 현재는 수mm 크기도 나오고 있고요. 오히려 효과가 더 좋습니다. 같은 심장이더라도 각기 다른 질환을 앓고 있는 미니어처를 만들어 테스트 할 수 있고요.
🤔 비용을 줄인다고 했는데요
👨 예를 들어 제약사 입장에서는 각기 다른 실험용 쥐인 마우스를 씁니다. 근이항증에 걸린 마우스 가격은 개당 약 100달러에 달하는데요. 큐리바이오 오가노이드를 사용한다면 약 20~30% 비용을 아낄 수 있습니다. 24개 들이 한 플레이트 가격이 약 350달러니 훨씬 저렴하죠.
😄어떤 오가노이드를 만드나요. 서비스는요.
👨 대다수 가능합니다. 심장 근육 등 말이죠. 현재 고객사로는 화이자 바에일 등이 있습니다. 큐리바이오는 솔루션을 제공합니다. 오가노이드 플레이트 뿐 아니라 이를 모니터링할 수 있는 도구, 그리고 다시 이를 AI 로 분석할 수 있는 솔루션을 한꺼번에 제공해 의약품 R&D 비용절감에 기여합니다.
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찰칵 📸 당신의 셔터가 눌리는 순간은 언제인가요
애드피아 광고제 '현, 상'에서 찾아보세요
대학생들이 만드는 광고제 '현, 상'을 미라클러님들께 소개해 드리려 합니다. 직장인이 많이 보는 미라클레터에 웬 대학 광고제 이야기냐고요?
이 광고제는 대학생 연합 광고 동아리 '애드피아'가 주최하는 행사에요.
애드피아는 1992년 설립된 대학생 연합 광고 동아리로 30년이 넘는 전통을 자랑하는 동아리라고 합니다. 대학 동아리임에도 불구하고 유수 기업과의 협업을 통해 다양한 콘텐츠 제작, 사회공헌프로젝트, 광고제 등을 진행하고 있어요.😀
미라클레터를 구독해 주시는 많은 미라클러님들이 마케팅에도 관심이 있으신 것으로 알고 있어요. 저희가 애드피아를 만나 이야기를 나눠봤는데요, 이들의 열정, 참신함, 신선함 등에 매료됐다고 해야 할까요. 직장일에 찌든 저희의 머리가 잠시 맑아지는 기분이 들었습니다.😝 그래서 흔쾌히 애드피아의 광고제를 미라클러님께 소개해 드리려고요(별도의 광고료를 받지 않았습니다)
이번 광고제의 주제는 '현, 상'이에요. 이는 현재 우리의 시선으로 바라보는 다양한 '상(像)'을 여러 시선으로 담아 일상을 새롭게 바라보자는 의미를 담고 있다고 해요. 총 1개의 기획단, 4개의 제작팀으로 구성하여 '촬영기법'이라는 소주제를 가지고 각 팀마다 브랜드를 선정, 관련 콘셉트를 바탕으로 메시지를 전달하고자 노력했다고 합니다. 전시장에 방문하시면 이 결과물을 보실 수 있어요!
애드피아 광고제 '현,상'은 서울 종로구 갤러리 라온에서 11월 17일부터 19일까지 열립니다. 대학생들이 세상을 바라보는 시선, 참신한 그들의 아이디어를 느껴보고 싶으신 분들은 잠시 짬을 내서 방문해보셔도 좋을 것 같아요! 애드피아의 말로 마무리짓겠습니다. "일상이라는 현상을 새로이 마주하길 바라며, 애드피아가 누른 셔터의 현장으로 당신을 초대합니다."
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실험실에서 죽어가는 동물들: 1.2. 마스카라 테스트를 받고 있는 토끼. 3. 독성실험 테스트를 겪고 있는 비글. 4. 독일 미엔부텔에 있는 한 실험실 원숭이 (출처=크루얼티 프리 인터내셔널 & 어나니머스 포더 보이스리스 & 케르스틴 브륄러)
실험실 동물은 살리고 비용은 낮출, 오가노이드!
오늘날 사람을 살리는 의약품을 만들려면 동물실험이 필요합니다. 해부용으로도 쓰이고 독성테스트도 합니다. 동물실험은 13세기 이븐 알 나피스에서부터 17세기 윌리엄 하럭스까지 그 역사가 오래됐습니다. 의약품 개발, 바이오의학 연구, 독성평가, 질병 연구를 위해 사람을 테스트할 순 없기 때문입니다.
쥐 개 고양이 돼지 소 토끼 원숭이...
2021년 기준으로 국내에서만 실험실에 쓰인 동물은 488만마리에 달했습니다.(아티클) 생쥐가 316만마리로 가장 많았지만 토끼 2만6000마리, 개 1만6000마리, 원숭이 4200마리도 있었습니다. 이렇게 실험실에서 사라지는 동물 수만 전 세계적으로 약 2억마리에 달할 것으로 추산됩니다. 특히 크루얼티프리인터내셔널이 공개한 원숭이 실험 (영상)은 충격적입니다. 작은 우리에서 사육되고 있고 일렬로 묶여 공포감에 사로 잡힌채 발을 구릅니다.
법이 없는 것은 아닙니다. 국내 동물보호법에는 3R 원칙이라는 것이 있습니다. 동물을 가급적 대체(Replacement)하고 개체수를 감소(Reduction)하며 그 방법을 개선(Refinement)하라는 권고입니다. 다만 전임상은 필수이기 때문에, 법도 어찌할 수 없습니다.
쥐 개 고양이 돼지 소
동물이 인간을 위해 희생되고 있는 이유는 바이오 의약 발전에 빠질 수 없는 요소이기 때문입니다. 일반적으로 약품 하나가 세상에 나오려면 원천기술 연구 → 후보물질 (치료에 효과가 있을 것으로 보이는 물질) 선정 → 동물 대상 전임상(비임상) 시험 → 사람 대상 임상 시험 → 신약 허가 → 판매라는 큰 과정을 거칩니다.
특히 전임상 시험은 새로 개발한 신약 후보물질이 사람에게 사용하기 전에 어떤 부작용이 있는지 알아야하는 실험으로 반드시 필요합니다. 전체 의약품 개발에서 그 비용이 약 40%로 추정되는 고비용 단계이기도 합니다. 사람을 대상으로 테스트를 할 수 없기 때문입니다.
🔎 크게보기: 하지만 인공장기라는 딥테크는 이런 동물 대상 전임상을 오가노이드로 대체할 수 있습니다. 예를 들어 새로운 심장병 약을 테스트하기 위해 원숭이에게 이를 주입하는 것이 아니라, 심장 질환을 앓고 있는 환자유래 유도만능줄기세포를 이용해 심장 오가노이드를 만들어 그 반응을 살피는 방법입니다.
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📓 바이오 복습하기
※ 아래 제목을 클릭하면, 지난 편지로 넘어갑니다
실리콘밸리 '수명 연장' 문화지금까지 지구상에 설립된 생명공학 기업 중 투자금 1위를 받은 실리콘밸리의 알토스랩을 분석합니다. 알토스랩은 세포를 과거로 돌리는 실험을 통해 수명을 연장해주는 실험을 진행하고 있습니다. 또 영생을 바래 아들 피를 수혈하는 스타트업 대표 브라이언 존슨을 소개합니다.
우주산업에 열광한 제약업계국제우주정거장을 대체할 액시엄스페이스의 비전을 알아보고, 신약 후보물질을 찾아내는데 왜 우주가 적격인지, 우주 바이오 산업의 미래를 살펴봅니다.
노벨생리의학상 수상자의 삶코로나 19 백신 개발에 결정적인 역할을 한 노벨 생리의학상 수상자 커리코 박사의 삶을 조망합니다. 또 미국 바이오벤처기업 진에딧 공동창업자인 박효민 수석부사장님 이야기도 들었습니다.
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어떠셨나요? 오늘은 의약품 개발 비용을 낮추는 동시에 동물복지를 획기적으로 향상시킬 인공장기인 오가노이드에 대해서 알아봤는데요. 딥테크의 발전이 인간을 넘어 생명체에 더 큰 기여를 했으면 하는 바람입니다.
영국의 화가이자 시인인 윌리엄 블레이크는 이런 명언을 남겼습니다.
- "모래알에서 세상을, 야생화에서 천국을 보려면, 손바닥 안에 무한을, 한 시간 안에 영원을 담아야합니다."
- "To see a world in a grain of sand and heaven in a wildflower, hold infinity in the palm of your hand and eternity in an hour."
우리는 작은 모래알이나 야생화에서삶의 경이로움을 느낄 수 있고, 그 삶이 모든 것과 밀접하게 연결돼 있다는 시인데요. 거창하진 않지만 삶의 매 순간 순간을 음미하며 살아갈 수 있는 것 만으로, 큰 축복이 아닐까 합니다. 또 인사드리겠습니다.
※ 이번 편지 도움말 감수 주신 바이오메디컬 엔지니어링 전문가.
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