현대 약품이나 화장품 개발에서는, 인간의 임상 시험을 하기전에 단계적으로 동물 실험이 필요로 되어있다. 동물 실험에서 정확한 결과를 얻기위해서는 시간과 비용이 소요될뿐만 아니라 윤리적 인 문제도 지적되고있지만, 최근에는 "인간의 장기를 메모리 스틱 크기의 칩에 재현하는 연구"를 진행중에 있으며, 의약품 개발의 속도와 동물 실험의 절감에도 도움이 될 가능성이 있다고 보도되고있다.
하나의 의약품이 개발되어 시장에 나오기까지는 몇 개의 관문을 통과해야하며, 일반적으로 10년 이상의 세월과 수천억원의 연구 개발비가 소요되는 일이 드물지 않다고한다.
또한, 실제로 승인을 얻어 진료 현장에 도착된 약물의 비율은, 시험 된 약물 중 13.8%에 불과하다는 추정도 있다. 개발의 마지막 단계에서는 인간의 임상시험이 필요하지만, 그 과정에서는 배양 한 세포나 동물을 대상으로 한 실험이 이루어지고 있다.
배양 한 인간의 세포를 사용한 실험은 비교적 저렴하지만, 생체 내 환경과는 동 떨어진 조건에서 실험하는 것, 세포가 본래 가지고있는 기능을 잃은 경우도 있다. 또한 동물을 대상으로 한 실험에서는 약이 전신을 둘러싼 과정 등의 평가가 가능한 반면, 종의 차이에서 인체와 똑같은 조건을 재현하는 것은 어렵고, 약물 후보 물질의 효능과 안정성을 정확히 파악하는 것은 곤란하다라는 것.
via https://news.harvard.edu/gazette/story/2020/01/human-body-on-chip-platform-may-speed-up-drug-development/
예를 들어, 원숭이에게는 나타나지 않았던 부작용이 인간에게 나타나거나, 인간에게 나타나지 않았던 부작용이 원숭이 실험 단계에서 나타났기 때문에 유망한 약물의 개발이 동물 실험 단계에서 멈춰버릴 가능성도 있다고 한다.
이러한 의약품 개발의 병목 현상을 극복하는 기술로서 주목받고 있는 것이, 인간의 장기가 가지는 생리 기능을 칩에서 재현하는 "장기 칩" 개발이다. 2010년, 하버드 대학의 연구 기관 인 비스 연구소의 도널드 잉버 소장의 연구팀이 폐의 기능을 재현 한 장기 칩을 개발했다고 발표했었다.
장기 칩은 컴퓨터의 메모리 스틱 정도의 크기이며, 투명하고 유연한 폴리머로 구성된 마이크로 유체 배양 장치이다. 칩은 다공성 막으로 분리 된 2개의 채널로 구성되어 있으며, 장기를 본뜬 한쪽 채널에서는 특정 장기 세포가 배양되고, 혈관을 본뜬 다른 쪽 채널에서는 혈관 내피 세포가 배양된다는 것. 2개의 채널은 독립적 인 액체가 보내져 장기 모델로서의 기능이 유지되지만, 채널을 분리하는 막을 통해 사이토 카인이나 투여 한 약물, 약물을 분해하는 대사 체 등의 분자를 교환가능하다는.
연구팀은 이미 창자, 간, 신장, 심장, 폐, 피부, 혈액 뇌 장벽, 뇌 등의 장기 칩을 개발하는데 성공했다. 새로운 연구는 각각의 장기 칩이 가지고있는 혈관 채널을 연결하여 개별 기관뿐만 아니라 인간의 몸을 본뜬 장기 칩 모델을 만들어 약물을 투여했을 때 여러 장기가 어떻게 반응하는지를 분석 할 수있게되었다고한다.
연구진은 여러 장기 칩을 연결 한 모델을 만드는것으로 생체에 약물을 투여했을 때, 약물이 어떻게 흡수되고, 표적 부위에 어느정도의 시간 경과후에 도달 할 것인가라는 점을 조사하여 약물 동태 및 생체 내에서 약물의 작용을 조사 약물 역학의 관점에서 약물의 효과를 조사 할 수있다고 생각한다.
연구팀은 복수의 장기 칩을 연결 한 모델을 평가하기 위해, 여러 실험을 실시했다. 첫 번째 연구에서는 8개 기관 칩을 연결한 상태에서 고도로 최적화 된 혈액 대체물을 보내봤다고. 이 장치는 모든 조직과 장기적인 기능을 3주 동안 지속시킬 수 있었다고하고, 각 조직에서 화학 물질의 양을 정량적으로 예측 할 수 있었다는 것.
두 번째 연구에서는, 서로 연결된 대장, 간, 신장의 장기 칩을 유체 혼합 탱크에 연결하여, 생체와 마찬가지로 혈액과 약물을 장기 칩간에 교환 할 수있는 모델을 구축. 그리고 창자를 본뜬 장기 칩으로부터 니코틴을 투여하여 장내에서 니코틴이 흡수되어 간에서 대사되고, 마지막으로 신장에서 배설된다고하는, 니코틴이 들어간 껌의 섭취를 시뮬레이션 한 것 같다.
연구팀이 모델내에서 니코틴의 이해와 대사를 분석하여, 현실의 인간으로부터 얻은 데이터와 비교 한 결과, 최대 니코틴 농도와 각 조직에 니코틴이 도달 할 때까지의 시간이라는 요소가, 현실의 인간에게서 확인 된 데이터를 엄격하게 반영하고 있었던 것이 확인되었다.
또한 연구팀은 항암제로 투여하는 시스플라틴의 약리 작용에 대해서도 여러 장기 칩을 결합한 모델로 측정하고있다. 잉버 씨는 "우리는 비스 연구소에서, 과학 소설을 과학 팩트로하고 싶습니다. 또한 장기 칩을 사용하여 이 수준의 생체 모방이 가능하다는 것을 표시하여, 제약 업계에서 관심이 더욱 높아지고, 동물 실험을 서서히 줄일 수있게되기를 바랍니다"라고 언급.
