약물 독성 평가하는 ‘인공 신장 칩’ 개발

신장은 우리 몸의 ‘필터’다. 몸속에 쌓이는 각종 노폐물과 대사산물들을 걸러주고, 독성이 있는 물질이 혈액을 따라 돌면서 세포를 파괴하는 것을 막아준다.

문제는 우리가 아플 때 사용하는 여러 약물들이 신체에는 ‘독’으로 받아들여질 수 있다는 것인데, 특히 신장은 이 독소를 걸러주는 과정에서 심각하게 손상될 수 있어 주의가 필요하다. 이를테면 귓병을 치료하기 위해 사용한 항생제가 엉뚱하게도 신부전을 일으킬 수 있기 때문이다.

이러한 부작용을 미리 예측하고 최소화하기 위해서는 많은 연구가 필요하고, 투입되는 재원도 막대하다. 더 큰 문제는 이러한 약물을 사람을 대상으로 사용하기 전 반드시 동물실험이 필요하다는 것인데, 생명존엄성의 문제를 차치하더라도 실험 결과 자체의 오류 가능성을 배제할 수 없다는 것은 큰 부담이다. 동물과 사람의 신장 기능 수준이 다르기 때문에 신장에 미치는 독성의 정도 역시 잘못 평가될 가능성이 있는 것이다.

분당서울대학교병원 신장내과 김세중 교수팀은 이러한 기존 실험의 한계를 극복할 수 있는 대안으로 실제 신장의 기능을 모사하는 ‘인공 신장 칩(kidney-on-a chip)’을 개발하고, 이를 통한 최초의 약동학(약물의 흡수, 분포, 대사, 제거 등의 양적 시간 과정에 대한 학문) 연구 결과를 ‘바이오가공기술(Biofabrication)’ 최근호에 게재했다고 26일 밝혔다.

인공 신장 칩은 실리콘 상·하판 사이에 실제 신장 세포가 이식된 투과성 막이 있는 구조로, 상판에 있는 홈에 신장 독성이 있지만 일반적으로는 우수한 항생제로 평가되는 ‘겐타마이신(gentamicin)’을 주입하는 연구를 진행했다.

연구팀은 같은 양의 약물을 다르게 투여하면서 각 모델별로 신장 세포의 피해 정도를 평가했는데, 처음에 많은 양의 약물을 주입하고 2시간마다 반으로 줄여가는 ‘고용량 단시간 주입’ 모델과 적은 양의 약물을 지속적으로 일정하게 주입하는 ‘저용량 장기간 주입모델’을 비교 대상으로 했다.

사실 임상적으로 신장 손상을 최소화할 수 있을 것으로 평가되어 실제 환자에게 적용하고 있는 모델은 ‘고용량 단시간 주입’모델이지만, 다양한 임상연구결과를 종합한 메타분석 연구결과에서는 주입법에 따른 두 모델 간 신장 독성의 차이가 명확하지 않은 상황이어서 신뢰할만한 새로운 연구 결과가 필요한 상황이었다.

이에 분당서울대병원 연구팀이 실제 신장을 모사한 ‘인공 신장 칩’을 사용해 실험한 결과 ‘고용량 단시간 주입법’이 ‘저용량 장시간 주입법’에 비해 신장 세포에 미치는 손상이 훨씬 적은 것으로 나타났고, 세포 간 결합 및 세포 투과성 등 세포 주요 기능의 보존 측면에서도 더 우월한 결과를 보였다. 메타분석이 밝혀내지 못하고 고비용 동물실험으로만 제한적으로 드러났던 결과를 인공 신장 칩이 더 정확하게 효율적으로 밝혀낸 것이다.

연구를 주도한 분당서울대병원 신장내과 김세중 교수는 “이번 연구모델을 이용하면 다양한 약물의 투여방법에 따른 신장 독성 차이를 실제 생체에 가까운 환경에서 다양한 방법으로 검증이 가능하다”며, “고비용 임상시험의 결과를 미리 예측하는 등 신약개발 분야는 물론, 기존 약물의 부작용을 최소화할 수 있는 투여법 등의 연구에도 새로운 전기가 마련된 것”이라고 평가했다.

분당서울대병원 김세중 교수팀과 미국 미시간대학교 타카야마 교수팀의 이번 공동연구는, 인공 장기 칩을 통해 약동학적 연구는 물론 임상시험 자체가 어려웠던 중증환자 약물의 연구까지 가능해졌다는 것을 증명해 약물독성연구의 새 장을 열었다는 평가를 받고 있다.