랩온어칩(Lab-on-a-Chip)과 오가노이드 기술을 활용한 AI 기반 신약개발 분석 보고서

1. 요약

• 이 리포트는 랩온어칩(Lab-on-a-Chip)과 오가노이드 기술을 활용한 AI 기반 신약개발을 중점으로 다루고 있습니다. 랩온어칩 기술은 미세유체공학을 이용한 소형 실험 장치로, 신약 개발 초기 스크리닝을 신속하고 효율적으로 수행할 수 있는 장점이 있으며, 오가노이드 기술은 줄기세포 유래 3차원 생체 조직 모델을 통해 약물의 생리학적 반응을 정교하게 평가할 수 있는 이점을 가지고 있습니다. AI 기술이 접목됨으로써 신약 개발의 효율성과 성과가 크게 향상될 수 있음을 보여줍니다. 주요 결과로는, 랩온어칩을 이용한 초기 약물 스크리닝과 오가노이드를 통한 정교한 평가가 신약 개발 과정에서 상호 보완적으로 활용될 수 있음을 강조하고 있습니다.

2. 랩온어칩 기술의 개요 및 활용 사례

• 2-1. 랩온어칩 기술의 기본 개념

• 랩온어칩(lab-on-a-chip)은 초미세 회로의 반도체 기술과 나노기술, 생명공학기술 등을 접목하여 손톱만한 크기의 칩을 통해 실험실에서 할 수 있는 연구를 가능하게 한 장치입니다. 이 장치는 DNA칩이나 단백질칩을 한 단계 발전시킨 바이오칩의 일종으로, 극미량의 시료만으로도 실험을 신속하게 진행할 수 있습니다. 주요 활용 분야로는 의학, 생명공학, 환경 등이 있으며, 차세대 진단 및 분석 장치로 개발 및 연구되고 있습니다.

• 2-2. 랩온어칩의 역사 및 발전 단계

• 랩온어칩 기술은 1979년 스탠퍼드 대학교에서 처음 시작되었습니다. 그러나 실용화는 더디게 진행되었고, 1990년대에 들어서야 미세유체공학과 관련된 MEMS 기술이 기존 분석기술에 접목되어 발전하였습니다. 이를 통해 나노리터(nanoliter) 단위의 적은 양의 액체 시료를 칩에서 다룰 수 있게 되었습니다. 90년대에는 마이크로밸브와 마이크로펌프가 중점적으로 연구되었으며, 2000년대 들어와서는 마이크로믹서, 광학검출기, 전기화학검출기 등이 개발되었습니다.

• 2-3. 랩온어칩의 장점과 단점

• 랩온어칩의 주요 장점은 다음과 같습니다. 첫째, 유체 부피 소비가 적어 시약 비용이 낮으며 진단 시 필요한 시료 양이 적습니다. 짧은 확산 거리와 빠른 가열, 높은 표면 대 부피 비율로 인해 더 빠른 분석 및 응답 시간이 가능합니다. 시스템 소형화로 인한 공간 절약 및 제조 비용 절감도 큰 장점입니다. 그러나, 일부 연질 수지는 대량생산이 어려워 연구실 용도로 국한된다는 문제가 있습니다.

• 2-4. 랩온어칩의 다양한 응용 사례

• 랩온어칩은 다양한 과학 실험 분야에서 사용됩니다. 예를 들어, 실리콘 웨이퍼를 깊이 식각하여 미세한 기계 부품을 만드는 MEMS 연구는 초기에는 압력센서의 산업적 응용에 성공적으로 사용되었습니다. 이후, 유체용 MEMS 부품인 마이크로 밸브, 펌프, 믹서 등이 개발되어 더욱 다양한 응용이 가능해졌습니다. 또한, 연질 실리콘 PDMS 칩, 아크릴 칩, COC 수지 칩, 유리 칩 등 다양한 재료를 기반으로 한 랩온어칩이 있습니다.

3. 오가노이드 기술의 개요 및 활용 사례

• 3-1. 오가노이드 기술의 기본 개념

• 오가노이드는 폐, 간 또는 뇌 등 인간 장기의 복잡한 구조와 기능성을 모방하기 위해 설계된 삼차원 다세포, 줄기세포 유래 미세조직입니다. 이는 기존의 2D 세포 배양과 비교했을 때 복잡한 생체 내(in vivo) 세포 반응과 상호작용을 더 잘 나타낼 수 있도록 설계된 구조입니다. 오가노이드는 여러 세포로 구성된 3D 생물학적 마이크로조직으로, 조직의 복잡성, 구성요소 및 구조를 나타내며, 실제 조직의 기능성 일부를 유사하게 재현합니다.

• 3-2. 다양한 장기 오가노이드의 개발 단계

• 오가노이드는 다양한 조직 유형으로 분화될 수 있습니다. 1단계로 일차 세포나 유도만능줄기세포를 이용하여 2D 사전 배양을 진행합니다. 이후 세포를 Matrigel과 혼합하여 24-Well 플레이트에 배양합니다. 이 때 세포는 특정 유형의 조직으로 분화되며, 배양 배지에는 ECM 단백질과 다양한 성장 인자가 포함되어 개별 조직의 발달을 촉진합니다. 예를 들어, 장, 폐, 뇌 등의 조직으로 분화가 가능합니다.

• 3-3. 오가노이드의 장점과 단점

• 오가노이드는 기존의 생물학적 모델과 비교해 더 정교한 생체 내 반응을 재현할 수 있는 장점이 있습니다. 특히 환자 유래 오가노이드를 활용한 맞춤형 약물 개발이 가능하여 유전자 치료 및 재생의학 분야에서도 중요한 자원이 되고 있습니다. 다만, 현재의 오가노이드는 유전자 발현 패턴 및 기능적으로 성숙되지 않은 점이 한계로 작용하고 있습니다. 이를 해결하기 위해 배양 기술과 ECM 개발이 필요합니다. 예를 들어, 장 오가노이드는 성숙되지 않은 태아의 장과 유사한 특성을 보여주는데, 이는 정교한 재현성을 갖춘 배양 모델이 요구됩니다.

• 3-4. 오가노이드의 다양한 응용 사례

• 오가노이드는 암 연구, 신경생물학, 줄기세포 연구, 신약 개발 등 다양한 분야에서 사용됩니다. 예를 들어, 특정 유전자 돌연변이가 질병과 연관성 있는지 연구하기 위해 유전자 편집된 오가노이드를 사용할 수 있습니다. 또한, 감염병 연구 및 숙주-병원성 물질 상호작용 연구에서도 오가노이드를 활용할 수 있습니다. 환자 유래 오가노이드를 이용한 맞춤형 약물 스크리닝 및 독성 평가도 가능하여 맞춤형 의학의 발전에도 기여할 수 있습니다.

4. AI 신약 개발의 이해

• 4-1. AI 기술이 신약 개발에 미치는 영향

• AI는 신약개발의 패러다임을 변화시키고 있습니다. 제약·바이오 산업의 경쟁력 요소 중 하나인 시간과 비용을 절감할 수 있어 많은 관심을 받고 있습니다. 글로벌 빅파마는 구글, 엔비디아, 메타, 마이크로소프트 등 빅테크 기업과 협업하여 AI를 활용한 신약개발에 박차를 가하고 있으며, 국내 제약사들도 다양한 AI 기업과 협업을 통해 AI 신약센터를 구축하고 있습니다.

• 4-2. AI 신약 개발 단계 및 과정

• 대웅제약의 AI 신약 개발 방법은 가상탐색(VS), 도킹 시뮬레이션, 분자 동역학, ADME/T 예측의 4가지 단계로 구성됩니다. 가상탐색 단계에서는 AI를 활용해 목표 단백질 타겟을 탐색하며, 8억종의 화합물질 분자 모델 DB '다비드(DAVID)'가 활용됩니다. 이후 도킹 시뮬레이션을 통해 타겟과의 결합 가능성을 확인하고, 분자 동역학 단계에서는 생체 내 최적의 분자 구조를 예측하여 약물의 결합 안정성을 검증합니다.

• 4-3. AI와의 협업을 통한 글로벌 제약사의 방향성

• 글로벌 제약사들은 구글, 엔비디아, 메타, 마이크로소프트 등과 같은 빅테크 기업과 협업하여 AI를 활용한 신약 개발을 진행하고 있습니다. AI의 활용으로 신약개발의 기간과 비용이 혁신적으로 절약되며, 성공률이 높아지는 경향을 보이고 있습니다. 제약 업계에서는 AI의 도입으로 경쟁력을 더 강화하고 있습니다.

5. 랩온어칩과 오가노이드의 AI 신약 개발 활용 비교

• 5-1. 랩온어칩을 이용한 초기 스크리닝과 분석

• 랩온어칩 기술은 미세유체공학을 이용하여 소형 실험실 장치를 제작하는 기술로, 이를 통해 초기 약물 스크리닝을 신속하고 효율적으로 수행할 수 있습니다. AI 기술을 접목함으로써 수백만 개의 화합물을 가상으로 탐색하고, 목표 단백질과의 결합 가능성을 예측할 수 있습니다. 대웅제약의 경우, 가상탐색, 도킹 시뮬레이션, 분자 동역학, ADME/T 예측의 네 가지 단계를 통해 AI 신약 개발을 진행하고 있으며, 이를 통해 초기 단계에서 후보물질을 신속하게 발견합니다.

• 5-2. 오가노이드를 이용한 고도 생리학적 반응 평가

• 오가노이드는 3차원 생체 조직 모델로, 줄기세포에서 유래되어 인간의 장기와 유사한 구조와 기능을 가지고 있습니다. 이는 in vivo 세포 반응과 상호작용을 보다 정교하게 재현할 수 있으며, 약물의 생리학적 반응을 높게 평가할 수 있습니다. 예를 들어 특정 유전자 돌연변이를 가진 세포에서 유래된 오가노이드를 통해 유전 질환의 메커니즘을 더 깊이 이해하거나, 환자 유래 오가노이드를 활용하여 신약 스크리닝 및 독성 평가를 수행함으로써 맞춤형 의학을 진보시킬 수 있습니다.

• 5-3. 두 기술의 상호 보완적 활용 사례

• 랩온어칩과 오가노이드 기술은 각각 초기 약물 스크리닝과 정교한 생리학적 반응 평가에 유리한 특성을 가지고 있어, 신약 개발 과정에서 상호 보완적으로 활용될 수 있습니다. 예를 들어, 초기에는 랩온어칩 기술을 통해 빠르고 효율적으로 수많은 후보물질을 탐색한 후, 유망한 후보물질을 오가노이드 모델에 적용하여 인간 생체 반응과 유사한 환경에서 약물의 효과와 안전성을 검증하는 방식입니다. 이러한 접근법은 시간과 비용을 줄이면서도 신약 개발의 성공률을 높이는 데 기여할 수 있습니다.

6. 성공적인 AI 신약 개발을 위한 전략적 접근

• 6-1. 가상탐색(VS)과 도킹 시뮬레이션의 역할

• 가상탐색(VS)은 신약 개발 과정에서 AI를 활용하여 목표 단백질 등의 타겟을 탐색하는 단계입니다. 대웅제약은 8억 종의 화합물질 분자 모델 데이터베이스(DAVID)를 이용해 가상탐색을 수행합니다. 이 데이터베이스는 대웅제약이 신약 연구를 통해 확보한 화합물질과 현재 신약 개발에 이용할 수 있는 화합물질의 결합체로 구성되어 있습니다. 가상탐색 후에는 도킹 시뮬레이션을 통해 목표한 타겟과의 결합 가능성을 확인하고 최적의 결합 구조를 예측합니다.

• 6-2. 분자 동역학 단계에서의 활용

• 분자 동역학은 신약 개발의 한 단계로, 생체 내에서 약물 분자의 최적 구조를 예측하고, 약물의 결합 안정성을 검증하는 과정입니다. 이 단계는 AI와 결합하여 분자의 움직임 및 반응을 시뮬레이션함으로써 약물 후보의 효능과 안전성을 더욱 정확하게 평가할 수 있습니다.

• 6-3. 타깃 발굴과 최적화

• AI를 활용한 타깃 발굴 및 최적화 과정은 신약 개발의 핵심 요소 중 하나입니다. 이 과정에서는 AI를 통해 잠재적인 타깃 단백질 등을 탐색하고, 가장 적합한 후보를 선별한 후 해당 타깃에 맞는 최적의 화합물을 개발합니다. 이를 통해 신약 개발의 효율성을 높이고 성공률을 개선할 수 있습니다.

7. 결론

• 이 리포트는 랩온어칩과 오가노이드 기술이 AI 신약 개발 과정에서 어떻게 상호 보완적으로 활용될 수 있는지를 탐구하였습니다. 랩온어칩은 초기 스크리닝에서 신속한 분석을 가능하게 하는 반면, 오가노이드는 더 정교한 생리학적 반응을 평가하는 데 유용합니다. 두 기술의 효과적인 통합은 신약 개발의 시간과 비용을 줄이고, 성공률을 높이는 데 기여할 수 있습니다. 중요한 발견으로는 랩온어칩의 장점인 신속한 초기 탐색과 오가노이드의 정밀한 평가 능력이 AI 기술과 결합될 때 신약 개발의 혁신적인 변화를 가져올 수 있다는 점입니다. 한계로는 기술 자체의 성숙도와 대량생산의 어려움이 있으며, 이를 보완하기 위해 더 발전된 배양 기술 및 AI 모델 개선이 필요합니다. 미래 전망으로는 이러한 기술의 융합과 AI 발전을 통해 더욱 혁신적인 신약 개발 플랫폼이 구축될 것으로 보입니다. 이러한 기술은 실제 신약 개발뿐만 아니라 맞춤형 의학 등 다방면에서 실질적으로 활용될 수 있습니다.

8. 용어집

• 8-1. 랩온어칩 [기술]

• 랩온어칩은 초미세 회로와 나노기술을 접목한 소형 실험 장치로, 미세한 샘플을 사용해 신속하고 재현성 있는 생화학적 분석을 가능하게 하며, 신약 개발 초기 스크리닝에서 주로 활용됩니다.

• 8-2. 오가노이드 [기술]

• 오가노이드는 줄기세포 유래 3차원 생체 조직 모델로, 실제 장기의 구조와 기능을 모사하여 약물의 효능과 독성 평가, 질병 모델링, 개인 맞춤형 치료법 개발에서 중요한 역할을 합니다.

• 8-3. AI 신약 개발 [기술]

• AI 신약 개발은 인공지능 기술을 활용하여 신약 후보물질을 탐색 및 최적화 하고, 실험 데이터를 분석 및 예측함으로써 신약 개발 시간을 단축시키고 성공률을 높이는 혁신적인 접근법입니다.

9. 출처 문서

• MEDI:GATE NEWS AI 기술로 변화하는 신약개발 패러다임…시간·비용은 절감하고 성공률은 높인다https://medigatenews.com/news/1982765959
• 랩온어칩 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전https://ko.wikipedia.org/wiki/랩온어칩
• 장 오가노이드 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전https://ko.wikipedia.org/wiki/장_오가노이드
• 오가노이드https://ko.moleculardevices.com/applications/3d-cell-models/organoids
• AI 기술로 변화하는 신약개발 패러다임…시간·비용은 절감하고 성공률은 높인다https://www.caiid.org/ko/news/news/view/1350