고속대량 스크리닝 장비 및 AI를 이용한 뼈모사칩 이미징 분석 사진.[KBSI 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 신약 하나를 개발하기 위해서 연간 수백만 마리의 실험동물이 생을 마감한다. 국내 연구진이 인체 내 복잡한 생리현상을 재현하고 실험결과를 정확하게 예측할 수 있는 생체모사장기칩 대체시험법 기술을 개발했다.

한국기초과학지원연구원(KBSI)은 연구장비개발부 김정아 박사 연구팀이 골다공증 약물의 효능을 정확하게 평가·확인할 수 있는 고속 분석용 3차원 뼈모사칩을 개발했다고 14일 밝혔다.

연구진은 뼈모사칩에서 얻어진 대량의 세포이미지를 자체 개발한 인공지능 기술을 활용, 약물의 정확한 효과를 효율적으로 알 수 있는 이미지 판별방법도 세계 최초로 제시했다.

이 모사칩은 뼈의 생리학적인 환경을 모사하고, 인공지능 기반의 첨단 정보기술을 적용해 표적약물의 스크리닝 및 반응 분석을 가능하게 하는 평가 플랫폼을 만든 것으로, 아직 시도되지 않은 분야에 새로운 연구영역을 개척했다는 점에서 의미가 크다.

연구팀은 뼈의 구조적, 생리학적 특징을 분석해, 이를 칩 위에 그대로 옮겼다. 뼈세포에서 추출한 세포외기질 물질과 수화젤 형태의 콜라겐 물질인 하이드로젤을 골세포와 함께 배합해 생체적합성은 물론, 뼈세포의 성숙과 특유의 분화능력을 최적화했다. 또한 이 두 가지 뼈세포를 수직이 아닌 과학적인 분석이 용이한 수평적 구조로 배치하여, 실제 뼈와 유사한 구조적인 특징도 함께 모사했다.

연구팀은 자체 개발한 첨단 인공지능 알고리즘 기술을 적용하여, 골다공증 약물의 효능여부를 이미지 분석만으로 판별할 수 있는 아이디어를 제시했다.

약물이 처리된 뼈모사칩으로부터 베타-카테닌 세포내 핵이동 과정을 고속 대량으로 촬영하고, 이를 통해 생산된 대량의 이미지를 딥러닝 기반의 인공지능 알고리즘이 사전학습을 통해 얻은 정보를 바탕으로, 골다공증 약물의 효능여부를 정확하고 빠르게 판별할 수 있었다.

뼈모사칩을 내장할 수 있는 웰플레이트 사진.[KBSI 제공]

또한 골다공증을 유발하는 주요 인자로서, 골형성 저해 단백질인 스클레로스틴의 기능을 억제해 뼈의 생성을 촉진하는 항체의약품을 모델로 약물을 처리한 실험군과 미처리한 대조군을 비교하는 테스트를 진행한 결과, 99.5%의 판별 정확도를 획득했다.

김정아 박사는 “이번 연구는 장기칩을 실제 동물대체시험법으로 활용하는데 꼭 필요한 기술적인 문제들을 극복하기 위해 고속대량 칩 시스템 제작, 생체재료, 이미징, 인공지능 등 다양한 기술을 융합하여 새로운 시도를 한 것”이라며 “뼈 모델은 물론, 다양한 질병모델과 신약평가 플랫폼에 적용될 수 있는 효율적인 접근법이 되길 바란다”고 말했다.

이번 연구성과는 바이오메디컬 분야 국제학술지 ‘바이오엔지니어링 & 트랜스레이셔널 메디슨’ 4월 5일 온라인판에 게재됐다.