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• • 오늘날 줄기세포는 세포치료제 개발 자원 외에도 다양한 분야에 활용이 가능하며, 특히 인간 줄기세포의 경우, 환자의 질병을 투영할 수 있어, 신약 개발과 후보 약물의 독성 평가에서 노출되는 동물 실험의 부작용과 한계점을 극복할 수 있는 세포자원으로 활용이 가능함.
• • 본 연구팀은 신약스크리닝 및 독성/유효성 평가에 요구되는 정상 및 질병모델 인간 줄기세포 유래 심근/혈관/간세포/신경세포 생산 표준화 기술을 개발하고, 고순도•고효율 정제 세포의 대량생산을 통해 신약개발용 세포의 실용화를 진행함. 동시에 이들 세포를 활용하여 기존 신약개발에서 진행하는 독성 및 약물평가를 대체할 수 있는 신규 줄기세포 기반 독성평가 플랫폼기술을 개발함과 동시에 Drug reposition screening 등을 통한 신규 후보물질을 발굴하고자 함.

[그림 1]. 연구 개요

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• • 과거 수십 년간 제약업계는 눈부신 발전을 거듭하여 왔으며 획기적인 신약 개발을 통하여 인류의 건강 확보에 많은 공헌을 함. 그러나 최근 신약 개발은 투자 대비 이윤 창출의 감소, 구조조정의 필요성 제기 등의 수익성 저하를 극복하기 위한 다각적인 노력이 요구됨.
• • 신약개발 분야는 High Risk, High Return, Long Term Investment 산업으로, 평균 10∼15년 이상의 긴 연구개발 기간과 수천억에 달하는 막대한 투자가 필요하며, 성공확률은 1/5,000 - 1/10,000로 낮으나 성공 시 고수익이 보장되는 산업임.

[그림 2]. 연구개발 목표

• • 신약 개발이 실패를 하는 주요 원인은 신약 후보의 탐색 및 전 임상 단계에서의 약물의 효능 및 독성을 시험하기 위해 사용되고 있는 모델이 인체 내 환경-세포 간 상호작용 및 세포 내 복잡한 신호 전달 경로를 반영하지 못하며, 인간과 실험 동물간의 유전적, 생리적인 차이로 인해 임상 결과를 정확히 예측하는 데는 한계가 있었음.
• • 신약개발단계에서 실패확률을 낮추고 수익성을 높이기 위해서는 사람의 정상세포를 이용한 시험관 내 평가방법이 절심함. 현재 사용되는 약효 및 안전성 평가법은 대부분 초대 배양세포 혹은 종양 세 포주를 사용함. 이런 세포들은 고유하게 가지고 있던 중요한 세포내 기능체계가 배양과정 중 소실, 신약 평가에 중요한 심근세포 등의 경우는 사람으로부터 primary 세포를 확보하기 어려움.

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• • 인간 전분화능줄기세포 (human Pluripotent Stem Cells, hPSCs)는 무한 증식할 수 있는 자가재생능력 (self-renewal) 능력과 모든 조직의 세포로 분화 가능한 전분화능력 (pluripotency)을 가지고 있어, 재생의학, 질병 기전 연구, 약물 개발 등의 분야에 적용되고 있음.
• • 줄기세포를 이용하여 양질의 질병모델링 줄기세포의 제작 및 고효율 분화 유도기술 개발을 통해 약물 스크리닝을 위한 고속 고효율 기술 개발하며, 인간 전분화능 줄기세포 유래 심근세포, 혈관세포, 간세포, 신경세포를 활용한 신약의 독성평가는 기존의 동물세포의 한계점 극복.

[그림 3]. 연구 필요성

• • 신약개발에 필요한 줄기세포 유래 분화세포 확보를 위한 연구기반 제공 및 기능 분석의 표준화 시스템 개발을 통하여, 세포내 타겟 단백질의 발현 수준을 빠르고 정확하게 탐색하여, 줄기세포 기반 신약개발 분야에 대한 선진적 기술 주도권 확보 및 질환 특이적 신약개발을 통한 줄기세포 원천기술 개발 및 실용화 기술 개발.
• • 줄기 세포를 활용한 신규 질병 타겟 발굴, 신약 스크리닝, 유사 약물간 효력 비교, 세포 별 반응성 비교나 고효율 약효검색법 개발.

1 세부: 건국대학교, 중앙대학교 (위탁)

• • 인간 배아줄기세포주 확립, 고효율, 고순도 심근세포, 혈관세포 분화, 역분화줄기세포 제작 및 분화, 교차분화기술.
• • 신경전달물질 유리와 재흡수 기전연구, 간 쿠퍼세포의 대식자용 기전 및 지질저장성 질환 연구, 간 질환에서의 신약 후보 물질 효능 평가.

2 세부: 한국생명공학연구원, 한국기초과학지원연구원 (위탁)

• • 세계 최초로 직접교차분화기술 개발, 인간세포의 신경줄기세포로의 직접교차분화, 비삽입성 리프로그래밍 기술, SMN 단백질 증가약물 발굴 및 약효검증 (FDA 승인약물).
• • 인간 신경줄기세포 가족형 치매 돌연변이를 도입한 세포 제작, 간질 환자 뇌 해마 조직의 펩타이드 질량분석 이미징과 단백체 분석을 통한 간질 특이 단백질 규명.

3 세부: 대구경북첨단의료산업진흥재단, 오송첨단의료산업진흥재단 (위탁)

• • 이미지 스크리닝 장비를 이용한 신약 효능 검증, 384 채널 autopatch clamp를 이용한 library search FLIPR-tetra를 이용한 세포 내 calcium efflux 측정, 줄기세포 유래 혈관 내피 세포의 생존을 증진 시키는 약물 스크리닝.
• • 세포 배양 공정개발 및 최적화 시스템, 약효평가 기술 및 분석 시스템 확보, 생물의약품의 평가 및 분석을 위한 시스템.

[그림 4]. 연구진 구성 및 역량

목표 1: 정상 및 질병 모사 세포 생산기법 개발

• • 분화/역분화/교차분화 기술을 이용한 심근/혈관/간세포 생산 기술 표준화
• • 질환모델 세포 생산 기술력 확보

목표 2: 생산시스템 구축 및 표준화

• • 신약 발굴 및 독성평가용 세포 생산 시스템 표준화
• • 질환모델 세포 생산 시스템 개발

목표 3: 대량 생산 및 정도 관리 시스템 구축

• • 고순도 정제된 정상 및 질환 타겟세포의 안정적인 대량 생산시스템 구축
• • 세포 생산의 제조공정 및 품질관리/품질보증(QA/QC) 시스템 확립

목표 4: 실용화

• • GMP 기반 신약 및 독성평가용 세포 생산 공정 구축
• • 신약 발굴 및 독성평가용 생산 세포 실용화

목표 5: 독성평가 기술 구축 및 약물 발굴

• • 정상 및 질환 모델 간 및 심근세포 독성 및 약효평가 기술 실용화
• • Drug reposition 스크리닝 활용 유효물질 발굴

[그림 5]. 연구내용

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• • 1세부 연구팀은 분화/역분화/교차분화 기술을 이용한 심근/혈관/간세포 분화를 유도하고 신약개발 및 독성평가용 정상 및 질환모사 타겟세포의 생산 체계화를 구축하여, 각 세부 연구팀에게 신약개발 및 독성평가용 세포 공급 및 지원함.
• • 1단계 세포생산 제어기술을 통한 신약개발 및 독성평가용 줄기세포 유래 특정세포 3건 이상과 질병모사 줄기세포 유래 신약 및 독성평가용 타겟세포 확보하여 줄기세포 기반 독성 및 약효평가 플랫폼 구축 하고자 함. 2단계의 화합물 탐색 및 신약으로의 개발 단계에서는 1단계에서 개발한 assay 시스템의 유효성을 평가 및 검증을 통해 관련 기업체가 참여할 예정임
• • 2단계 진입 시, GMP 기반 세포생산 표준화 및 정도관리 세포 상용화하여 고순도 정제세포를 활용한 독성평가 구축 및 약물 발굴 지원함. 개발된 시스템을 기반으로 하여 3세부에서 확보한 화합물 라이브러리를 이용하여 스크리닝을 진행. 확보된 후보물질은 추가적으로 개발한 높은 신뢰도를 확보한 질환 모델링 시스템을 통하여 검증함. 개발한 assay 시스템은 3세부의 DGMIF와 협력하여 대규모의 screening 으로 고도화 하기위한 협력연구를 진행함.

[그림 6]. 추진체계

• • 질환 모델링을 위해 개발한 세포들은 생산의 효율성과 안정성을 확보하여 대량생산을 통해 상업화 할수 있는 별도의 연구개발을 오송신약개발지원센터(3세부위탁)와 함께 추진함. 질환 모델세포와 assay 시스템을 패키지로 묶어 상업화 할 수 있는 시스템 개발하고자 함.
• • DGMIF 신약개발지원센터에서는 신약 스크리닝을 위한 플랫폼 구축 및 줄기세포 연구팀에서 제공한, 세포주를 이용한 스크리닝으로 후보물질 1종 이상 도출, 고효율/초고속 심독성평가 체계를 개발하여 국내 산학연의 신약개발 지원함.

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• • 줄기세포 기반 체외 독성평가 시스템이 개발될 경우, 신약에 대한 독성 검사를 수행하는 능력이 보다 정확하게 되고 이로 인해 보다 안전한 신약을 탐색할 수 있으며, 결과적으로 신약개발을 위한 비용 절감 효과를 통한 저렴하고 안전한 의약품 생산이 가능.
• • 특이 질환 환자들로부터 확립된 줄기세포를 이용할 경우, 질환세포 모델 연구뿐만 아니라 신약 개발 및 평가에 있어 유전적 다양성 및 개체차에 대한 유효성 있는 평가 가능.
• • 약물의 독성 분석 및 효력 평가에 사용되는 실험동물의 사용을 최소화 할 수 있는 체외 스크리닝 시스템 구축을 통해 신약개발 연구 분야에 활용 및 방대한 종류의 시험 물질 평가를 용이하게 함으로써, 신약 개발 산업의 새로운 패러다임을 제시 할 수 있을 것으로 기대.

[그림 7]. 기대효과