동물 실험 대체를 위한 생명 공학의 노력과 랩 온어 칩 (Lab on a Chip)

동물 실험이 생명공학에서 필요한 이유

여러분들은 생명 과학에 대한 실험이라고 하면 뭐가 생각이 나시나요? 현미경으로 세포를 보는 것, 하얀 가운을 입고 이상한 액체들을 다루는 것, 쥐를 이용해 여러 실험을 진행하는 것 등을 생각하실 수 있습니다. 어떤 분들은 쥐 실험을 보시고 불쌍하다고 생각하고, 생명과학을 별로 좋아하지 않으실 수도 있습니다.

 

특히 생명과학에서 동물 실험 및 쥐 실험은 매우 중요합니다. 사람의 질병을 치료할 수 있는 아무리 훌륭한 약물도 동물 실험을 하지 않으면 사람에게 사용할 수 없습니다. 치료를 위한 후보 약물이 사람에게 어떠한 부작용이 있을지 모르기 때문에 주로 생쥐를 이용해 주로 독성을 평가합니다.

 

근데 왜 약물에 독성이 없다는 걸 굳이 쥐와 같은 동물을 이용할까요? 그냥 사람 세포를 키운 다음에 처리해서 독성이 있는 지, 없는지 확인만 하면 되지 않을까요? 사실, 처음 후보 약물은 사람 세포를 실험실에서 처리하여 독성 평가를 합니다. 이 과정에서 수 많은 후보 물질에 독성이 발견되며 극소수의 약물만이 실험실에서 걸러집니다. 하지만, 실험실에서 약물 자체에는 독성이 없다고 평가되더라도, 사람 몸 또는 동물 몸에 들어가면 독성이 있을 수 있습니다.

 

 

 

간과 약물 분해

특히, 약물에 의한 독성은 “간”의 반응이 매우 매우 중요합니다. 예를 들어보면, 외부에서 투여된 이 약물을 간은 분해하려고 합니다. 이때, 약물이 분해되어 특정 물질로 바뀌게 되는 데, 이 물질이 독성을 갖을 수 있습니다. 술 (에탄올)을 마시면, 간에서 에탄올을 분해하죠. 그 과정에서 생성되는 아세트알데하이드라는 독성 물질이 생성되며 머리를 아프게 합니다. 또, 메탄올이라는 독성 물질이 있습니다. 이 메탄올 자체에는 사람에게 독성이 없으나, 마시면 사망할 수 있습니다. 간에서 메탄올을 분해하려고 해서 메틸 알데하이드로 분해하기 때문입니다. 메틸 알데하이드는 강력한 독성 물질입니다.

 

**번외로, 만일 실수로 메탄올을 마셨다면 어떻게 하면 될까요? 에탄올을 계속해서 마시면 됩니다. 왜냐하면, 간에 메탄올과 에탄올이 동시에 들어온다면, 간은 에탄올만 분해하고 메탄올은 분해하지 않습니다. 그렇다는 말은 독성이 없는 메탄올을 독성이 있는 메틸알데하이드로 분해하지 않는다는 말입니다. 이 메탄올은 자연스럽게 신장을 통해 오줌으로 배출됩니다.

 

즉, “간에서 독성이 없는 약물을 어떠한 형태로 변형시키는지, 알 수 없다. 따라서 쥐를 이용해, 쥐에 투여된 약물이 어떠한 형태를 거치는지 알 수 없지만, 독성이 없는지 확인하면 훨씬 편하게 약물 평가를 할 수 있다.”는 말입니다. 이 부분은 하나의 예시로, 이와 같이 생체 내에 약물이 들어갔을 때, 약물이 어떤 반응을 할지 실험실 수준에서는 모두 확인할 수 없습니다.

 

 

 

 

동물 실험의 비판

그렇다면 이 쥐 실험도 단점이 없을까요? 

 

일단 여러분들도 생각하듯이, 가장 비판 받는 문제는 동물 윤리가 있습니다. 수 많은 쥐들이 사람들의 생명 연장을 위해 죽음을 당하고, 이 죽음을 정당화시킬 수 있을 것인가? 에 대해 비판 받고 있습니다. 두 번째는 쥐와 사람은 다른 동물입니다. 즉, 쥐에 독성이 없더라도 사람에 독성이 있을 수 있습니다. 반대로, 쥐에 독성이 있지만 사람에게는 독성이 없을 수 있습니다. 쥐에 독성이 있다고 평가된 약물이 실제로 사람에게 유용하게 사용될 수 있다는 말이 될 수 있습니다. 이러한 쥐 실험을 대체하기 위해 여러 나라의 노력이 있습니다. 생명과학의 1등인 미국은 물론이고, 유럽 국가, 한국, 중국, 일본 등에서 수많은 노력을 하고 있습니다.

 

 

 

동물 실험을 대체하기 위한 노력

쥐, 원숭이, 인간과 같은 살아있는 신체에서 행해지는 실험을 in vivo 실험이라고 하고, 실험실에서 세포를 키워서 진행하는 것을 in vitro 실험이라고 합니다. 동물 실험 (in vivo 실험) 을 최소한으로 줄이기 위해 수 많은 노력을 했습니다. 가장 좋은 방법은 in vitro 실험으로 생명을 죽이지 않고 밖에서 키워진 세포에 약물을 처리하여 세포 독성을 확인하는 것이 동물 윤리를 위한 최고의 방법일 것입니다. 

이렇게 진행되면 매우 좋겠지만, 아주 복잡한 구조, 수 많은 세포들로 이루어져 있는 사람의 장기를 실험실 수준에서 모사하는 것은 매우 어렵습니다. 설령 사람의 장기를 모사하더라도 돈이 너무 많이 들면 동물 실험을 대체하기 위해 주로 사용되기 어렵습니다. 예를 들어, 현재 장기를 모사하는 데 수백 만원 이상이 들고, 실제로 이 방법으로 새로운 약물을 발견했더라도 동물 실험 없이 바로 사람에게 도입하기에는 아직 부족한 수준입니다. 하지만, 쥐 실험을 하면 몇 만원으로 더 좋은 실험 결과 및 더 높은 신뢰성이 높은 실험 결과를 이끌어 낼 수 있기 때문에 쥐 실험을 대체하기는 아직 힘든 상황입니다.

 

그럼에도 불구하고 한국을 포함한 여러 선진국에서는 계속해서 쥐 실험을 대체하려는 노력 행해지고 있습니다. 화장품이 가장 좋은 예시입니다. 요즘 나오는 화장품은 쥐 실험으로 독성 실험을 실시하면 우리나라, 유럽, 미국의 당국에서 허가가 나오지 않습니다. 피부를 모사한 실험실 장치, 즉 in vitro에서만 독성 실험을 진행해야 하며, 까다로운 기준을 충족해야 허가를 받을 수 있습니다. 또한, 유럽과 미국에서 쥐 실험을 대체하기 위한 여러 기준들을 이미 제시하고 있으며 이를 충족해 허가를 진행할 수 있는 방법을 고안하고 있습니다. 

 

 

 

in vitro 내의 세포 활성도 활성화

사람 세포를 강하게 만들기 위해 암 화를 시키고, 그와 동시에 세포의 특성을 그대로 유지된 세포를 찾는 게 매우 중요합니다. 수 많은 노력으로 연구원들은 몇 가지 세포들을 추려내었고, 그 세포는 죽지 않으며 활성화도 어느 정도 유지합니다. 각 장기마다 유명한 세포들이 있고, 이런 세포들에게 이름을 매겨 연구원들에게 통용되는 세포들을 정리하였습니다.

예를 들어, 간세포로는 HepG2, Huh7 세포와 같은 예시가 있고, 신장세포에는 HEK293, HK2 세포 등이 있습니다. 이 세포들을 이용하여 수많은 연구가 이루어지고 있으며, 암 화 시키기 전 세포 (Primary cells) 만큼은 아니지만, 그래도 어느 정도 세포 특성을 갖고 있다고 평가 받고 있습니다.

활성화가 떨어진 세포들을 조금이라도 특성을 되찾아 주는 과정을 좀 더 획기적으로 만들려는 노력이 있습니다. 그 중에 하나는 세포를 단일 배양이 아닌 3차 과정으로 세포를 만드는 것입니다. 이 세포를 바닥에 붙이는 게 아니라, 구멍이 뽕뽕 뚫린 어떤 고체 안에 아파트처럼 넣는다면 바닥에 붙어 있으면서 3차 구조로 만들 수 있습니다. 가장 쉬운 과정으로는 Gel 형태로 만드는 방법이 있습니다. 눈으로 보기에 Gel은 그냥 고체처럼 보이시겠지만, 안에 구멍이 뚫려있는 고체입니다. 이 gel을 세포와 섞어서 만든다면 gel은 아파트 골격처럼 있을 것이고, 구멍에 세포들이 붙으면서 자랄 수 있습니다. 이 과정은 실제로 수 많은 연구원들이 진행했으며, 3차 형태로 세포를 키운다면 좀 더 좋은 세포의 활성 정도를 보여준다는 연구 결과가 나왔습니다. 2차보다는 3차 형태가 좀더 생체 환경과 비슷하기 때문에 세포의 활성도가 좋아진다고 말할 수 있습니다. 

즉, 생체 환경과 비슷하면 비슷할수록 더 좋은 세포 활성도를 받을 수 있다고 말씀 드릴 수 있습니다.

이를 극대화 시킨 방법을 한 엄청난 연구자가 발명하여 과학계를 놀라게 한 사건이 있습니다.

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세상을 놀라게 한 “Organ-on-a-chip” Dan huh 박사

사람과 비슷한 환경을 실험실에서 만든다면 세포의 활성도가 좋아져 동물실험을 대체할 수 있다고 말씀드렸습니다.

실험실에서 어떤 실험을 하기 위해서 밑 3가지가 중요합니다.

1. 싸면 쌀수록 좋다. (연구비가 한정적임)
2. 할 때 마다 비슷한 결과가 나와야한다.
3. 누구나 시연할 수 있어야 한다.

거대한 장치로 세포 하나하나를 천천히 붙여 모사하는 방식과 같은 방법은 너무 비싼 방식으로, 정말 미국 같은 곳이 아니면 그런 연구를 하기 쉽지 않습니다.

또한, 할 때 마다 비슷한 결과가 나와야 하며, 실제로 실험을 하시다보면 3번 이상의 반복 실험을 하고, 실험에서 비슷한 결과가 나와야 합니다. 그리고 어떠한 실험을 했을 때, 그 과정을 상세하게 적어 누구나 그 실험을 시연할 수 있도록 해야 합니다.

그 중에 정말 훌륭한 기술로 세상을 놀라게 한 연구실이 있었습니다. 댄허 (Dan huh) 박사님의 허파 장기를 모사한 “Lung-on-a-chip”, 허파 장기칩 입니다. 관심 있으신 분들은 DOI: 10.1126/science.1188302 로 가셔서 한번 쯤 읽어보시길 추천 드립니다.

https://www.science.org/doi/10.1126/science.1188302

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“실리콘으로 작은 칩을 만듭니다. 그 칩 안에 세포들을 넣어 키우고, 밑에는 액체 상태로 만들고 위에는 공기 상태로 만듭니다. 실제 허파와 비슷한 환경입니다. 그리고 세포가 자랄 수 있는 용액에 피가 흐르듯이 흐름을 줍니다. 피가 흐르는 듯한 환경을 만들어주면 실제로도 세포 활성도가 좋아집니다. 이후, 허파가 숨을 쉬면 허파 안에 세포도 늘어났다 줄었다 하는 스트레스를 받습니다. 이 환경을 공기의 압력을 통해 모사했습니다. 이 과정을 통해 실제 허파와 비슷한 세포 활성을 이끌어 냈습니다.”

이렇게 수 많은 연구자들이 동물 실험을 대체하려고 노력하고 있습니다. 가까운 미래에는 동물 실험이 더 이상 진행되지 않고 실험실 수준에서 약물을 분석될 것입니다. 특히, “lab on a chip” 과 같은 다양한 실험을 이용해 동물 실험을 대체할 것으로 예상됩니다.