Organ-on-a-Chip 기반 전신 약물 반응 평가 사례

Organ-on-a-Chip 기반 전신 약물 반응 평가 사례

 

신약 개발에서 가장 어려운 관문 중 하나는 약물이 인체 전체에서 어떤 반응을 일으킬지 정확히 예측하는 것이다.
단순히 한 가지 장기에서 효과가 입증되었다고 해서,
다른 조직에서 같은 결과를 보장할 수는 없다.
더구나 간에서 대사 된 물질이 신장에서 독성을 유발하거나,
중추신경계에 예상치 못한 영향을 줄 수도 있다.

이러한 복합적 약물 반응을 미리 예측하고 시뮬레이션하는 데,
지금 주목받고 있는 것이 바로 Multi-Organ-on-a-Chip(다기관 칩) 기반의 전신 약물 반응 평가 기술이다.
이 기술은 기존의 단일 장기 실험의 한계를 극복하며,
인체 전체의 약물 반응을 칩 위에서 미리 확인할 수 있는 가능성을 열어주고 있다.

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신약 개발에서 전신 반응 예측이 중요한 이유

단일 장기 실험의 한계점

대부분의 전 임상 실험은 약물이 특정 장기에 미치는 반응만 평가하는 데 그친다.
하지만 인체는 복잡한 네트워크로 구성되어 있어,
약물이 간에서 대사 된 뒤 그 대사산물이 신장, 폐, 심장에 미치는 영향을
전통적인 2D 세포 배양이나 동물실험으로는 완벽히 파악할 수 없다.

전신 약물 동태 분석의 중요성

약물의 흡수(Absorption), 분포(Distribution), 대사(Metabolism), 배설(Excretion) 과정을 통틀어 ADME라고 한다.
이 ADME 과정을 전신 단위로 정확히 분석해야
정확한 용량 설정, 부작용 최소화, 치료 효과 극대화가 가능하다.

동물 모델의 한계와 예측 실패 사례

동물실험은 인간과 생리학적으로 다르기 때문에,
간에서 대사 되는 속도, 단백질 결합률, 수용체 민감도 등이 상이하다.
결과적으로 사람에게는 독성을 유발하는 약물이 동물에서는 무해하거나,
반대로 동물에게 치명적인 약물이 사람에게는 무해한 경우도 발생한다.
이러한 오차는 막대한 비용 손실과 임상 실패로 이어진다.

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Multi-Organ-on-a-Chip 시스템의 작동 원리와 특징

장기 간 상호작용을 재현하는 기술적 구조

Multi-Organ-on-a-Chip은 각기 다른 장기(예: 간, 심장, 신장, 폐 등)의 기능을 구현한 칩을
미세유체 채널로 연결하여 인체 내 장기 간 상호작용을 모사한다.
이 채널에는 영양분, 산소, 약물, 대사산물 등이 흐르며,
실제 인체처럼 한 장기의 변화가 다른 장기에 영향을 주는 경로를 구현할 수 있다.

약물의 흡수부터 배출까지 경로 추적 가능

특정 약물을 칩에 투입하면, 이 약물은 소장 모델을 통해 흡수되고,
간에서 대사 되며, 혈액 흐름을 통해 심장을 거쳐 신장에서 배출된다.
이 과정을 실시간으로 모니터링하며
조직별 약물 농도, 반응 시간, 부작용 유발 여부를 정밀하게 측정할 수 있다.

중추신경계·면역계·호르몬계 모델도 통합 가능

최근에는 장기 외에도 혈액-뇌장벽(BBB), 면역계-on-a-Chip, 내분비계까지 연결한
통합형 시스템이 개발되고 있다.
이를 통해 약물이 뇌에 미치는 영향, 면역세포와의 상호작용, 호르몬 대사 변화까지
전신 단위로 모사할 수 있는 수준에 도달했다.

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실제 적용 사례로 보는 전신 약물 반응 평가

간-신장-심장 칩으로 약물 독성 시뮬레이션

한 제약회사는 심혈관 질환 치료제 후보 물질을
간-심장-신장 칩에 투여한 후, 심장 독성을 사전에 예측할 수 있었다.
간에서 생성된 특정 대사산물이 QT 간격 연장을 유발하는 사실을 발견해
임상에 앞서 약물 조성을 수정함으로써,
임상 실패를 사전에 방지한 사례가 있다.

항암제의 전신 부작용 분석

다기관 칩을 이용해 PD-1 면역관문 억제제를 시뮬레이션한 결과,
간에서는 면역 활성화가 잘 일어났지만,
신장에서는 과도한 염증 반응이 발생해 조직 손상이 예측되었다.
이 정보는 복합 면역억제제를 병용 투여해야 한다는 전략적 선택으로 이어졌다.

감염병 치료제의 조직별 약물 분포 추적

COVID-19 치료제 후보 약물의 경우,
폐-on-a-Chip과 간-on-a-Chip을 연결해 투약 후
폐 조직 내 약물 도달 시간과 농도 변화를 시뮬레이션했다.
이를 통해 투약 간격 조정과 복용 방식 변경이 이루어졌고,
효능을 극대화하면서 독성을 줄이는 결과를 얻을 수 있었다.

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AI 기반 분석이 전신 반응 시뮬레이션을 더욱 정밀하게 만든다

다기관 반응 데이터의 실시간 통합 분석

각 장기 칩에서 발생하는 데이터는 수천 개에 달한다.
AI는 이 데이터를 실시간으로 통합 분석해
복합 장기 반응의 상관관계, 시간차 반응, 피드백 경로를 시각화해 준다.

예측 알고리즘으로 전신 독성 경로 도출

특정 약물이 어느 장기에서 어떤 독성 반응을 유발하는지,
또 그 반응이 다른 장기에 어떻게 전이되는지를
AI는 학습과 반복 분석을 통해 전신 독성 경로를 예측할 수 있다.
이는 기존 방식으로는 도출할 수 없던 고차원 예측모델을 가능하게 한다.

맞춤형 약물 설계 및 복용 계획 수립까지 확장

환자 유래 세포를 활용한 칩과 AI가 결합되면,
환자의 유전자 특성과 병력에 따라 약물 반응을 시뮬레이션하고,
그에 따른 맞춤 복용 계획, 투여량, 투약 주기를 설계할 수 있다.
이것은 궁극적으로 정밀의학과 신약개발의 통합을 실현한다.

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결론 – 인체 전체를 칩 위에 구현하는 시대

Organ-on-a-Chip 기술은 이제 단일 장기를 넘어서
인체 전체를 하나의 통합된 플랫폼 안에서 모사할 수 있는 단계로 진입했다.
전신 약물 반응을 예측하는 Multi-Organ-on-a-Chip 시스템은
단순한 실험 도구가 아니라,
의약품 개발의 실패를 줄이고 성공률을 극대화하는 전략적 기술 자산이다.

AI와의 결합은 이 기술의 진화를 가속화하고 있으며,
앞으로 신약 개발의 첫 단계는 시험관이 아닌 칩 위에서, 알고리즘 위에서 시작될 것이다.
사람의 몸 전체를 닮은 작은 칩.
그 위에서 약물의 미래가 결정되는 시대가 이미 도래하고 있다.