뇌지도를 통한 뇌질환 치료의 획기적 개선

다양한 뇌지도를 활용한 GMI의 새로운 시도

연구소 소개

그레이스 메디컬 인스티튜트(Grace Medical Institute, GMI)는 각종 질병으로 인해 고통받는 사람들을 돕기 위해 2015년 시애틀지역에 만들어진 비영리연구소다. GMI는 뇌질환을 중심으로 각종 질병연구와 효과적인 치료제개발에 기여하는 동시에, 의료혜택의 사각지대에 있는 주변의 이웃들을 돕는 것을 목표로 한다.

기존의 많은 연구소들과 달리, GMI는 “드라이랩”(dry-lab)이라는 독특한 연구시스템을 가지고 있다. 이는 기존의 실험실에서 행해지던 연구 대신, 사무실에서 뇌지도와 같은 특화된 빅데이터를 분석, 해석하고 연구전략을 수립하는 서비스를 제공하는 것이다. 이 드라이랩 연구는 연구시설에 소요되는 막대한 경비를 줄여 연구비의 효율적인 운용을 가능하게 해주며, 또한 특정 질병에 제한되지 않고 다양한 연구주제로의 전환이 용이하다는 장점이 있다. GMI는 향후 2-3년 안에 내부적으로는 신경생물학, 신경해부학, 데이터 분석/정보처리 분야의 전문가들로 구성된 연구인프라를 확립하고, 외부적으로는 드라이랩을 통해 얻어진 연구결과/전략들을 테스트(“wet-lab”)할 수 있는 협력연구 파트너를 확보하는 것을 목표로 한다. 그래서, 미국 뿐만 아니라 한국에 있는 연구진들과도 긴밀한 협력연구체계를 만들고, 이를 통해 보다 글로벌한 연구서비스를 제공할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

GMI는 비영리연구기관으로서 제약회사, 바이오텍, 대학, 연구소 등 다양한 연구 파트너와의 협력연구를 지향한다. 그리하여, 결과적으로 질병으로 고통받는 사람들에게 더 값싸고, 안전하며, 효과적인 치료제를 제공하는 연구가 되는 것을 목표로 한다. 2017년 현재, 뇌지도를 이용한 혁신적인 분석방법을 개발하고 테스트하기 위해 이를 뒷받침 할 후원금 및 연구비 확보에 매진하고 있다.

또한, GMI는 얻어지는 연구수익들을 연구사업에 재투자하는 것뿐만 아니라, 소득의 중요한 부분을 헌신해 공공펀드를 만들어 여러가지 재정적, 행정적 이유로 질병의 고통을 감내해야 하는 주변의 이웃들을 돕기 위해 사용한다. 

“GMI는 연약하고 도움이 필요한 사람들을 향한 사랑과 위로가 넘치는 사회를 꿈꿉니다. 보다 건강한 사회를 함께 만들어 가고자 하는 여러분의 성원과 후원에 깊이 감사드립니다.”

 

연구진 소개

오승욱 박사 (Seung Wook Oh, Ph.D.) – 서울대 화학과를 졸업하고 서울의대 대학원에서 석사과정을 수료한 후, 2005년 미국 메사추세츠주립대 의과대학에서 바이오메디컬로 박사학위를 취득했다. 그 후, 노벨상 수상자인 미국 텍사스주립대 의과대학의 마이클 브라운(Michael Brown), 조셉 골드스틴(Joseph Goldstein) 교수 실험실에서 박사 후 연수 과정을 거쳤다. 이후 시애틀로 이주하여 앨런뇌과학연구소에서 8년 동안 연구원, 프로그램 매니저 등으로 활동하며 다양한 뇌지도 프로젝트에 참여했다. 특히, 생쥐 뇌 신경망 지도의 제작을 기획하고 완성하는 데 핵심적인 역할을 했고, Nature, Cell, Nature Neuroscience 등에 다수의 논문을 발표했다. 이 중 오승욱 박사가 제1저자로 참여한 네이처 논문은 미국, 한국의 주요 매스컴(NBC news, The New York Times, 매일경제신문, 중앙일보, 동아사이언스 등)에 소개되기도 했고, 디스커버 매거진(Discover Magazine)이 뽑은 2014년의 100대 과학뉴스에서 18위에 등재되기도 했다. 2015년 시애틀에 그레이스 메디컬 인스티튜트를 창립하고 현재는 대표 겸 수석연구원을 맡고 있다.

존 모리스 박사 (John A. Morris, Ph.D.) – 미국 테네시주립대 경제학과를 졸업한 후 2006년 미국 미시간주립대에서 신경과학 전공으로 박사학위를 취득했다. 이후 시애틀 앨런뇌과학연구소에서 연구원, 책임연구원 등을 거치며 8년 동안 다양한 유전자 지도의 기획, 제작, 분석 과정에 참여했다. 특히, 종 간 비교분석방법을 확립하여 Nature, Cell, PNAS 등에 다수의 논문을 발표했다. 또한, 바이오텍 SNBL USA에서 다양한 전임상 연구(preclinical study)의 책임자로 많은 신약개발과정에 참여한 경험을 가지고 있다. 현재는 그레이스 메디컬 인스티튜트에서 수석연구원을 맡고 있다.

이 밖에도, 두 연구자가 앨런뇌과학연구소에서 참여한 많은 프로젝트들은 각종 주요 과학저널의 표지를 장식했고, 전세계 주요 일간지나 방송 등에 보도되기도 했다 (Figure 1).

Figure 1. 각종 과학저널과 방송 등에 소개된 연구업적들.

 

연구 배경

최근의 보고서에 따르면, 전세계적으로 무려 5천만명이 치매를 앓고 있고, 이는 60세 이상의 노인 중 지역에 따라 많게는 9%에 육박하는 인구가 치매환자로 분류된다는 것이다. 그리고, 치매만으로도 전세계적으로 매년 1,000조 규모의 막대한 의료비용이 발생하는 것으로 추산되고 있다 (World Alzheimer Report 2015). 이처럼, 자폐, 우울증, 정신분열병, 치매 등 수많은 뇌질환은 이제 단순한 질환의 차원을 넘어 현대사회의 커다란 사회문제가 되어버렸다. 하지만, 뇌질환 극복을 위한 사회적 투자와 뇌질환연구의 비약적인 발전에도 불구하고 그 임상적 성과는 아직 미미하다.

현재 신약 하나의 개발에 10년 이상의 기간과 약 3조원의 개발비가 소요되는데, 그 이유는 임상시험 등에 소요되는 막대한 비용에 비해 그 성공률이 극히 낮기 때문이다. 그 한 예로, 실험동물 단계에서 효과를 보인 뇌질환신약 중 불과 6%만이 임상시험을 통과하여 미국식품의약국(FDA)의 허가를 받는다. 미국국립보건원(NIH)의 디렉터였던 Elias Zerhouni는 이러한 일련의 실패를 가리켜 ‘사망의 골짜기’(Valley of Death)라고 명명하기도 했다 (Figure 2). 그 결과, 제약회사는 수많은 실패를 보전하기 위해 시판되는 약들에 높은 가격을 책정하게 되고, 이는 고스란히 질병으로 고통받는 환자의 몫으로 돌아가게 된다. 따라서, 이런 비효율성을 개선하는 일이야 말로 현대 의학이 짊어진 가장 큰 과제 중 하나라고 할 수 있다.

Figure 2. 신약개발과정의 비효율성 - '사망의 골짜기' (Valley of Death).

모든 약은 쥐나 원숭이와 같은 동물모델에서 안전성이나 효능을 검증한 후 임상시험에 투입되는데, 그럼에도 불구하고 얘기치 못한 부작용이나 낮은 효능 등으로 많은 약들이 중도에 실패한다. 이러한 동물모델이 가지는 어쩔 수 없는 한계는 고도로 복잡한 인간의 뇌에서 더 현저하게 나타난다. 뇌는 수많은 다양한 종류의 신경세포(neuron)들이 네트웍을 이루며 그 독특한 기능을 수행한다. 그래서, 어떤 특정 뇌영역(brain area), 신경세포, 네트웍에 이상이 생기는가에 따라 전혀 다른 형태의 뇌질환이 발병하게 된다. 즉, 근육, 간, 신장과 같은 조직들은 비교적 균일하여 인간과 동물모델 간의 비교도 용이한 반면, 뇌의 기능적, 구조적 이질성(heterogeneity)은 다른 종(species)간의 예측가능성을 크게 떨어뜨린다 (Pankevich et al., 2014). 따라서, 특정한 약이 뇌의 각 세부영역별로 어떻게 작용하는지를 검토하는 일은 신약의 성공을 위해 필수적인데, 이런 뇌영역 간의 세밀한 비교분석은 최근 들어 뇌지도(brain map)가 제작되기 전까지는 불가능했다.

뇌지도는 수백 개 이상의 뇌영역별로 어떤 유전자(gene)가 언제 발현(on/off)되는지, 각 신경세포들이 어떻게 연결되어 있는지 등을 보여주는 방대한 자료이다. 뇌과학자들은 이 뇌지도야 말로 복잡한 인간의 뇌의 이해와 뇌질환치료를 위한 획기적인 돌파구가 될 것이라고 믿고 있으며, 현재 뇌과학 선진국 등을 중심으로 광범위한 뇌지도 제작이 진행되고 있다. 마이크로소프트의 공동창업자인 폴 앨런의 기부로 시작된 시애틀의 앨런뇌과학연구소(Allen Institute for Brain Science)는 이런 뇌지도의 제작과 보급에 선구적인 역할을 한 비영리연구소다. 본 연구를 주도하는 두 연구자(오승욱 박사, 존 모리스 박사)는 바로 이 앨런연구소에서 지난 10여 년간 쥐에서부터 인간에 이르기까지 다양한 뇌지도의 제작 및 분석에 주도적인 역할을 한 뇌과학자들이다. GMI는 두 연구자들의 축적된 노하우와 뇌지도에 특화된 지식을 바탕으로 해서 신약개발과정의 비효율성을 획기적으로 개선할 수 있는 비교분석법을 제시하려 한다. 방대한 뇌지도가 원석(gemstone)이라고 한다면, 이 비교분석법은 그 원석에서 다이아몬드를 채취해서 소비자에게 전달하는 과정이라고 할 수 있다.

 

연구 목표

본 연구의 목표는 이 뇌지도를 이용한 종 간(실험동물-인간) 비교분석을 통해, 신약의 인간에서의 효능이나 부작용을 미리 예측할 수 있게 도와주는 분석법을 개발하는 것이다.

많은 질병은 단백질(protein)의 발현이나 기능에 이상이 생겨 발생하게 되고, 따라서 대부분의 약은 그런 단백질과 상호작용하거나 그 발현을 조절함으로써 약으로써 기능하게 된다. 이 단백질의 발현을 결정하는 것이 유전자이고, 신약의 타겟이 되는 유전자를 신약타겟유전자(drug target gene)라 부른다. 본 연구진은 이 타겟유전자의 실험동물과 인간 사이의 발현 양상이 비슷할수록 그 유전자 또는 단백질에 작용하는 약의 성공 확률은 높아지고 부작용은 줄어든다고 믿는다. 반대로, 종 간 발현 양상이 현저히 다른 경우 위험요소는 그만큼 커질 것으로 예상한다. 한 예로, 간질을 포함한 많은 신약의 타겟이 되고 있는 한 유전자(GABA수용체의 한 서브유닛)의 경우 그 발현양상이 쥐와 인간의 다른 뇌영역에서는 크게 차이가 없지만, 기억, 학습 등을 담당하는 특정 부위(해마체)에서는 확연한 차이를 보인다. 이 경우, 이 유전자에 작용하는 약의 안전성이 쥐에서는 증명된다 할지라도, 인간에게는 심각한 기억력 장애 등의 부작용을 일으킬 수 있게 되는 것이다. 따라서, 이 비교분석법은 약의 성공가능성, 위험요소 등을 개발 초기단계에 발견하게 도와 줌으로써, 막대한 시간과 비용이 소요되는 신약개발과정의 효율성을 획기적으로 개선할 수 있을 것으로 기대된다.

현재까지 앨런뇌과학연구소에서 제작한 뇌지도에는 지금까지 알려진 20,000개 이상의 유전자들이 쥐, 원숭이, 인간의 발생단계별(태아~어른)로 수백 개 이상의 뇌영역에 걸쳐 각각 어떻게 발현되는지를 보여주는 데이터들이 존재한다. 본 연구의 첫번째 목표는 이 광범위한 데이터들을 (1) 종 간 비교분석이라는 목적에 맞게 뇌영역, 발생단계별로 배열(alignment)하고, (2) 전문가의 개별적 확인 및 분석(assessment)을 거쳐, (3) 각 뇌영역 별 유사성이나 차이 등을 수치화(congruence measure)하거나 도표 등으로 알기 쉽게 나타낼 수 있는 일련의 분석방법을 확립하는 것이다 (Figure 3).

1단계(Phase-1)는 이 비교분석법의 토대를 놓는 기초공사가 될 것이다. 그 다음 단계(>Phase-2)에서는 이렇게 확립된 비교분석법을 자폐, 치매, 우울증과 같은 뇌질환의 타겟유전자로 확대하여, 다양한 뇌질환의 이해와 치료제 개선을 위한 연구를 진행할 계획이다. 

Figure 3. 위 도표는 뇌지도의 정보들이 어떻게 처리, 분석되어, 임상결과들을 설명하는 데 이용될 수 있는 지를 간략히 보여준다.

 

후원금 모금

GMI는 미국 국세청 (IRS)이 인정하는 기부지정기관(501(c)3)으로, 미국에 거주하는 후원자들은 세금공제혜택을 받을 수 있다. 후원은 다음의 세가지 방법을 통해 가능하다.

한국 계좌: 신한은행 110-199-305206 (예금주 - 오승욱)

미국 계좌: Routing number: 325081403 (BECU), Account number: 3600234251 (Grace Medical Institute)

미국 우편: 4210 198th Street. SW Suite 203, Lynnwood, WA 98036 (Checks payable to Grace Medical Institute).