세포 배양은 생물학 연구에서 가장 기본이 되는 기술로, 질병의 진단, 치료 등 다양한 목적으로 활용된다. 특히 줄기세포는 배양을 진행하는 동안 줄기세포가 본래 의도한 모양으로 잘 유지되고 있는지, 특정 세포로 분화되고 있는지를 확인하는 것이 중요하다. 그러나 문제는 사람의 육안으로 미세한 세포 변화를 완벽하게 파악하는 것이 불가능해 다양한 분석방법과 기구를 이용해야 한다는 점이다. 따라서 수많은 노력과 비용이 소요될 뿐 아니라 같은 세포와 배양조건이더라도 연구실과 연구자별로 다른 결과가 나올 수 있다.
바이오 분야의 풀어야 할 난제로 남아 있던 가운데 고려대학교 홍성회 교수가 인공지능 기술을 활용하는 방법으로 해결의 실마리를 찾아냈다. 인공지능 딥러닝 방식을 통해 줄기세포를 분석하는 AI 모델을 개발한 것으로, 세포 이미지만을 보고 세포 상태, 돌연변이 유무 등을 정확하게 구분할 수 있다. 무엇보다 이번 연구는 전통적인 바이오 연구의 틀을 깨는 기술로, 향후 연구방식의 패러다임을 바꿀 만큼 큰 변화를 이끌어낼 수 있다는 점에서 기대가 크다.
세포 이미지만을 보고 정확히 구분 가능
오늘날 AI는 다방면에서 활약 중이다. 약물 개발 분야 역시 수많은 스타트업과 연구소들이 신약 개발의 지름길이 열릴 것으로 전망하며 AI 시장에 뛰어들고 있다. 막대한 시간과 비용을 투입해야 했던 과거에 비해 AI가 과학자들의 손과 발이 되어 빠르고 효율적으로 성과를 낼 수 있게 도와주고 있기 때문이다.
그리고 최근에는 AI가 줄기세포 분석에도 활용될 수 있는 가능성이 열리면서 뜨거운 관심을 받았다. 바로 고려대학교 바이오시스템의과학부 홍성회 교수 연구팀이 인공지능 딥러닝을 활용한 컨볼루션 신경망(Convolutional Neural Network, CNN) 알고리즘을 개발해 세포 이미지만을 보고 세포 상태, 돌연변이 유무 등을 정확하게 구분할 수 있는 AI 모델을 만들어 낸 것.
이번 성과는 바이오 연구의 패러다임을 바꿀 수 있을 정도로 파급력이 클 뿐 아니라 바이오의약산업의 성장 속도를 혁신적으로 끌어올릴 수 있다는 점에서 의의가 있다.
“그동안 줄기세포 유지 및 분화의 글로벌 스탠다드를 만드려는 노력은 많았지만, 여전히 어려운 문제로 남아 있습니다. 즉, 같은 세포와 같은 세포 배양조건을 이용하더라도 각 연구실과 연구자마다 서로 다른 결과가 도출되는 것이죠.
그런데 인공지능 기술의 급격한 발전으로 약물 개발 분야에서도 이를 이용한 연구들이 많이 나온 것을 보면서, 그렇다면 줄기세포의 유지와 분화에 하나의 기준을 만들어 내는 데에도 활용될 수 있겠다는 생각이 들었습니다. 그리고 실제로 관련 분야를 공부하고 관찰하면서 세포 모양만 보고도 서로를 구분해 낼 수 있는 엄청난 잠재력이 있는 기술이라는 사실을 알게 되었습니다.”
홍 교수는 확신을 가지고 과감히 도전에 나섰지만, 세포와 유전자 및 단백질의 기능을 주로 연구해 왔기 때문에 그 과정이 녹록하지만은 않았다. 우선 연구실 구성원들도 대다수가 생물학을 베이스로 해왔기 때문에 인공지능 기술을 약물 스크리닝이나 세포 구분에 활용하려는 생각을 실현해 나가기에 적합한 인물을 찾기가 어려웠다. 고민을 거듭하던 때 파이슨(읽기 쉽고 쓰기 쉽게 설계된 고급 프로그래밍 언어)을 해 본 학생이 새로 연구실에 들어오면서 연구에 속도가 붙기 시작했다.
바이오 연구의 새로운 패러다임 제시
연구팀은 다양한 세포 이미지를 CNN 알고리즘이 구분할 수 있는지 알아보기 위해 배아줄기세포(발생 초기인 배아단계에서 나오는 세포)와 유도만능줄기세포(인간의 체세포를 특정 배양조건에서 배아줄기세포와 유사한 성질을 가지도록 변환한 줄기세포)를 사용했다.
각각의 줄기세포를 다양한 배양조건에 적용해 세포 모양을 미세하게 변화시켰고, 계대배양 후 24시간 내의 세포 배양 시간 동안 특정 시간에 세포 이미지를 획득할 수 있었다.
줄기세포의 미세한 모양 변화를 배양 시간과 배양액 조건별로 학습해 정확도를 분석한 결과, 컨볼루션 신경망(CNN, 딥러닝의 종류 중 하나로 이미지를 분석하고 패턴을 찾는데 유용한 알고리즘으로 데이터에서 이미지를 직접 학습하고 패턴을 사용해 이미지를 분류)이 세포 이미지만을 보고 줄기세포 상태, 즉 자기복제 또는 분화 정도를 예측할 수 있는 정확도가 평균 90% 이상으로 기록되었다.
이러한 기술은 이번 연구에서 사용한 줄기세포뿐만 아니라 다양한 종류의 줄기세포에도 적용 가능하다. 또한, 딥러닝 기반의 컨볼루션 신경망을 이용해 미리 학습 및 저장 관리함으로써, 세포의 유지 배양 및 분화 유도 과정에서 각 시간대별로 세포 특성을 구별, 실험 과정의 성공 여부를 판단할 수도 있다.
일반적으로, 유도만능줄기세포를 장기간 배양하면 유전자 변이가 발생하게 되고, 이로 인해 세포 기능 변화, 줄기세포 치료 효능 감소, 종양 형성과 같은 치명적인 부작용이 유발될 수 있다. 흥미롭게도, CNN은 세포 내부에서 발생하는 유전자 변이로 미세하게 변화한 세포 모양까지 높은 정확도로 분석할 수 있음을 입증했다.
즉, 생물학적으로 유전자 변이를 입증해야 하는 실험 과정(핵형분석, 면역화학 염색, Whole genome sequencing, RNA sequencing 등)을 생략하고, 세포 이미지만으로 유전자 변이유무를 확인할 수 있는 것이다.
“인공지능 기술을 이용하면 세포 모양만으로 (줄기)세포 상태와 그 세포 내에 있는 유전적 변이 유무 정도를 정확하게 분석할 수 있다는 것은 앞으로 바이오 연구의 패러다임을 바꿀 수 있을 정도로 파급력을 가진다고 생각합니다. 일단 분석 방법이 간단하고, 빠르고, 비용이 적게 들지만, 정확하고, 효율적으로 결과를 도출해 낼 뿐만 아니라, 실험을 통해서 결과를 보기 전에 예측도 가능하다는 점이 그 이유죠.
향후 딥러닝 알고리즘을 장착한 로봇이 세포를 배양하는 무인 세포 배양 자동화 시스템이 구축되면, 세포 변형과 오염으로부터 좀 더 안전한 줄기세포 배양이 가능해짐으로써 세포치료제와 같은 혁신적인 바이오의약품 개발이 더 활성화될 수 있을 것으로 기대됩니다.”
이처럼 이번 연구를 통해 전통적 바이오 연구의 한계를 넘어선 홍 교수는 여기서 한 단계 더 나아갈 계획이다. 후속 연구로 질환동물 모델(향후 환자들에게)에 줄기세포를 이식하기 전, 미리 줄기세포 자체만을 분석해서 줄기세포의 안전성과 효능을 예측함으로써 안전한 세포치료제 개발의 속도를 높일 예정이라고 밝혔다.
이번 연구 논문은 지난 4월 17일(한국시간) 인공지능 분야 우수 학술지인 ‘Advanced Intelligent Systems’ 온라인판에 게재되었으며, 2023년 6월 20일 기준, Cover article로 선정되었다.
혈액을 통한 폐암 조기 진단 방법 개발
이번 연구 외에도 홍 교수의 연구성과 중 빼놓을 수 없는 부분은 바로 혈액 검사를 통해 폐암을 진단할 수 있는 ‘GCC2 바이오 마커’의 개발이다.
폐암은 전 세계적으로 가장 높은 발병률과 사망률을 기록하고 있으며, 진단 시기에 따른 5년 생존율이 높지 않다. 생존율을 높이기 위해서는 조기 진단이 가장 효과적인 만큼 매년 폐암 검진 가이드라인을 권고하고 있다. 폐암의 조기 진단을 위해서는 위험도가 낮은 혈액 등 액체생검과 바이오마커를 이용한 진단법이 절실하다.
이번 연구팀이 발굴한 GCC2 바이오 마커는 폐암의 조기 진단에 뛰어난 성능을 보일 뿐만 아니라 말초 혈액에서 얻을 수 있는 GCC2+ 엑소좀(GCC2가 발현되고 있는 엑소좀, 50-150nm 크기의 작은 소포체)의 확인을 통해서 증상이 없는 사람들을 대상으로 기본 혈액 검사만으로도 빠른 폐암 진단의 가능성을 보여줬다. 특히 환자의 조직을 채취해 검사하는 조직 생검이 불필요한 방법으로 환자가 폐암 진단을 위해 감수해야 하는 불편과 위험을 최소화할 수 있다.
세포가 분비하는 작은 소포체인 엑소좀은 세포의 다양한 세포물질을 포함하고 있다. 연구팀은 정상 및 비소세포폐암(NSCLC) 세포가 분비하는 엑소좀을 서로 구별하는 새로운 바이오마커 GCC2 단백질을 발굴했다. GCC2 단백질은 세포 내 골지체에 존재하는 막 단백질로, 세포 내 수송 역할을 수행한다. 해당 마커는 단백체 분석을 통해 폐암 세포주에서만 검출되었고, 폐암 병기 진행에 따라 증가하는 추세를 보였다. 따라서 폐암 병기 초기 단계에서 유의성 있게 높은 발현 증가를 보여 폐암 진단에 탁월한 성능을 보였다.
폐암 초기(병기1기) 비소세포폐암 환자 혈장으로부터 분비된 엑소좀의 GCC2 단백질 발현양은 건강한 대조군보다 유의하게 높았다. 연구팀은 수신자 작동 특성 곡선(ROC curve)을 통해 엑소좀 GCC2의 진단 민감도와 특이도를 진단한 결과 각각 90%와 75%로 나타났다. ROC 값 0.844는 GCC2 단백질이 정상 및 폐암 세포에서 분비된 엑소좀을 효과적으로 구별할 수 있다는 뜻이며, GCC2가 비소세포폐암를 조기에 진단할 수 있는 바이오마커임을 증명한다.
이번 연구는 종양학(Oncology) 분야의 저명한 학술지인 ‘Cancers’ 온라인판에 2021년 10월 31일(한국시간) 게재되었으며, 당시 언론의 스포트라이트를 받으며 기대를 모았다.
“제 연구실의 메인 연구는 아니지만, 능력 있고 좋은 공동연구자들과 함께 엑소좀 연구를 하면서 도출된 결과였습니다. 엑소좀이라는 것은 세포에서 분비되어 나오는 작은 소포체인데 세포간 커뮤니케이션에 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있죠.
엑소좀에는 많은 종류의 물질(단백질, RNA, DNA 등)을 포함해 세포를 대변하는 특성이 있어 질병의 진단이나 치료제 개발의 소중한 자원으로 활용되고 있습니다.
따라서 엑소좀을 활용한 진단 및 치료제 개발 시장이 국내외적으로 급성장하고 있는 상황입니다. 현재는 기존의 발굴한 GCC2 바이오마커를 이용한 암치료제 개발 가능성 연구를 진행하고 있고, 의미 있는 결과를 도출해 논문 발표를 준비 중에 있습니다. 잘 진행된다면 암 치료제 개발을 위한 사업체를 만들 수도 있지 않을까 생각합니다.”
줄기세포치료제 관련 원천기술 및 특허 확보
홍 교수가 2009년 고려대학교에 임용된 이후 이끌어 온 ‘줄기세포 및 신경재생 연구실’의 주요 연구개발 분야는 중추신경계 질환 치료 분야이다. 뇌, 척수 및 시신경 질환을 치료할 수 있는 세포치료제 또는 세포유전자 치료제 개발을 목표로 한다.
즉, 희귀 난치성 퇴행성 질환 및 신경 면역질환을 치료하기 위한 세포치료제 개발에 사용하는 세포는 환자의 피부세포에서 직접 리프로그래밍을 통해서 제조된 유도 신경줄기세포이다. 이 기술에 대한 원천기술은 이미 국내외에 특허 등록되었고, 현재 이 원천기술은 상용화에 더 잘 활용할 수 있도록 개량화되어 국내에 출원된 상태다.
2010년경부터 현 원천기술 개발의 기반이 된 기술도 이미 국내외 특허 등록을 마쳤다. 이 기술로 제조된 유도 신경줄기세포는 환자에게 이식할 만큼의 충분한 세포생산이 가능하고, 환자 세포부터 완제품까지 9~10주 내에 가능하다는 것이 큰 장점이 될 수 있을 것으로 보인다. 다양한 종류의 CNS 질병 모델에서 우수한 효과를 보여주었고, GLP 기관에서 수행한 안전성 시험에서도 종양원성과 독성이 없음을 증명했다.
“현재 기술적으로 진전이 있는 부분은 희귀 난치성 유전질환인 헌팅턴병 치료제 개발입니다. 임상시험 승인을 위한 IND 신청자료를 고려대학교병원과 함께 준비 중으로, 쉽지 않겠지만, 내년 안에 승인을 목표로 하고 있습니다.
또 다른 하나는 시신경척수염범주질환이라는 신경계의 자가면역질환인데, 고려대학교병원과 함께 세포치료제 개발을 수행 중입니다. 이러한 질병의 치료제 개발은 인스템케어(주)가 주관을 맡아 함께 수행하고 있습니다.”
차세대 세포치료제 개발기업 ‘인스템케어(주)’
현재 홍 교수는 인스템케어(주)의 최고기술책임자(CTO)를 맡고 있다. 2019년 2월 기존회사(2010년 설립)의 업종을 변경해 새로운 생명공학기술 회사인 인스템케어(주)가 출발하게 되었다. 그래서 실제로는 4년 정도된 회사이지만, 설립시점 때문에 13년 된 회사로 평가된다. 기존의 VC, AC로부터 투자받기 다소 어려운 구조로 되어 있지만, 기술과 개발 성과로 이를 극복해 나가고 있다.
“회사의 핵심 기술은 환자의 피부세포를 신경줄기포로 제조하는 기술로, 이는 인스템케어(주)가 소유하고 있는 원천기술입니다. 국내뿐 아니라 미국, 중국, 일본 등 해외 주요 3개국에도 등록되어 있습니다. 현재는 개량 기술이 개발되어 상용화에 매우 적합한 기술이 되었고, 국내외에 출원된 상태입니다. 매우 빠르고 효율적으로 우리가 원하는 신경줄기세포를 제조할 수 있어 생산 비용면에서 기존 바이오 벤처회사와 충분히 경쟁력이 있다고 생각합니다.”
개발하려는 세포치료 후보물질인 유도 신경줄기세포의 장점은 역분화 줄기세포 상태를 거치지 않기에 종양원성 가능성이 매우 낮고, 제조과정 중 염색체 이상이 생길 가능성이 낮다. 특히 회사가 소유한 기술에서 사용하고 있는 배양액 성분은 리프로그래밍과 장기배양 동안에 생길 수 있는 돌연변이를 억제할 수 있다는 점이 큰 특징이다.
인스템케어(주)는 자체 보유한 GMP 시설에서 안정적으로 줄기세포 생산이 가능하고, 다양한 질병에 적용 가능한 플랫폼 기술을 확보하고 있다. 또한, 헌팅톤병 등 다양한 형태의 유전병 치료를 위해 CRISPR/Cas9 System 등을 이용한 정밀 유전자교정 기술을 확립했다.
“회사의 미션은 중추신경계 질환을 앓고 있는 환자들에게 건강한 삶의 질을 되돌려주는 것이고, 비전은 혁신적 차세대 세포치료제를 개발하는 글로벌 챔피온 기업이 되는 것입니다. 사업은 중추신경계 질환을 치료하기 위해서 ‘Direct reprogramming 기술’을 이용해 환자 본인의 체세포로부터 제조된 유도 신경줄기세포를 다시 환자 본인의 몸으로 주입해 병을 치료하는 세포치료제 또는 세포유전자 치료제를 개발하는 방향으로 진행되고 있습니다.
개발에 속도를 더 내고 싶은데 연구 개발비와 인프라가 부족해 어려움이 많습니다. 현재 회사는 치료제 개발 속도를 내기 위해서 Out-licensing이나 투자를 통한 협력 파트너를 찾는 중입니다.”
한편, 공동연구 기관으로서 인스템케어(주)는 고려대학교와 함께 한국연구재단 혁신신약파이프라인발굴사업(2021~2023, 약 20억 원) 수주, 범부처 바이오의료기술개발사업(2022~2025, 약 15억 원) 수주에 이어 2023 제9회 대한민국 우수기업 대상 시상식에서 ‘우수 R&D 대상’을 수상하며 기술력을 인정받았다.
끝으로 홍 교수는 향후 계획에 대해 “중추신경계 질환이든 암질환이든 환자들에게 건강한 삶을 되돌려줄 수 있도록 미력하지만, 최선을 다할 것”이라며 “환자에게 직접 적용될 수 있는 치료제 개발과 직접적으로 관련된 연구개발을 꾸준히 수행하는 것은 물론 AI 기술이 적용된 무인 로봇 세포 배양시스템을 구축해 혁신적 바이오의약품 개발을 이루고 싶다”고 전했다.
언제나 기존의 한계를 뛰어넘는 새로운 기술을 개발하며 질병으로 고통 받고 있는 환자들에게 희망의 향기를 전해주고 있는 홍성회 교수, 그의 연구실은 오늘도 생명현상에 대한 도전의 꽃이 만개하고 있다.
취재기자 / 안유정(reporter1@s21.co.kr)
<이 기사는 사이언스21 매거진 2023년 8월호에 게재 되었습니다.>
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