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약대 김정현 교수팀, AI 기반 환자맞춤형 ‘약물 심장독성 예측 플랫폼’ 개발

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약대 김정현 교수팀, AI 기반 환자맞춤형 ‘약물 심장독성 예측 플랫폼’ 개발

약학대학 김정현 교수팀이 AI 기술을 활용해 환자 맞춤형 심장 부정맥 예측 플랫폼을 개발했다. 약물에 의한 심장 부정맥은 신약 개발 과정의 주요 탈락 요인이자 시판 후 약물 회수의 원인이 되어 왔다는 점에서, 향후 약물 안전성 확보에 기여할 수 있을 전망이다. 해당 연구는 ‘환자 유래 iPSC-심근세포를 이용한 심장 독성 위험 예측을 위한 머신러닝 플랫폼(A machine learning platform for genotype-specific cardiotoxicity risk prediction using patient-derived iPSC-CMs)’이라는 제목의 논문으로 저명 학술지 <저널 오브 어드밴스드 리서치(Journal of Advanced Research, Impact Factor 13)>에 온라인 게재됐다. 아주대 약대 김정현 교수(사진)와 중앙대·국립보건연구원·가톨릭대·고려대 연구팀이 함께 참여했다. 약물에 의한 심장 독성, 즉 부정맥은 신약 개발 과정에서 주요 탈락 요인이자 시판 후 약물 회수의 원인으로 작용해왔다. 특히 염전성 심실빈맥(Torsades de Pointes, TdP) 같은 치명적 부정맥이 문제가 되어 왔다. 지금까지는 주로 동물실험이나 단일 이온 채널(hERG) 차단 시험으로 약물의 심독성을 평가해왔으나, 이러한 전통적 방법은 환자별 유전적 배경에 따른 실제 위험을 충분히 반영하지 못한다는 한계가 있었다. 김정현 교수 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 환자 혈액세포로부터 유도만능줄기세포(iPSC)를 제작하고, 이를 심근세포(iPSC-CM)로 분화시켜 환자의 질환 특이적 심장세포 모델을 구현했다. 특히 심장질환 중 하나인 롱 QT 증후군(Long QT Syndrome, LQTS)과 브루가다 증후군(Brugada Syndrome, BrS) 환자 유래 세포를 이용해 실제 환자와 유전적·기능적으로 유사한 환경을 재현했다. 연구팀은 분화된 심근세포(iPSC-CM)를 이용해 28종의 약물 반응을 마이크로전극 어레이(Microelectrode Array, MEA) 기술로 측정하고, 이를 AI 머신러닝 알고리즘에 학습시켰다. 분석 결과 정밀한 심독성 예측이 가능함이 확인됐고, 특히 질환 특이적 세포 데이터를 반영했을 때 더욱 정밀한 예측이 가능했다. 브루가다 환자 세포는 칼슘 채널 차단제에 과민반응을 보였고, 롱 QT 환자 세포는 칼륨 채널 억제제에 더 민감한 반응을 보인 것. 이는 환자 유전형에 따라 약물 반응이 달라질 수 있음을 입증한 중요한 결과다. 또한 연구팀의 분석 결과, 기존에는 저위험으로 분류되었던 일부 약물이 실제 환자 세포 모델에서는 심장 독성을 보이는 것으로 재분류됐다. 이는 새로운 AI 기반 환자 맞춤형 평가가 기존의 약물 안전성 분류 체계를 보완할 수 있음을 보여주는 사례다. 부정맥 환자 유래 역분화줄기세포 실험 결과 김정현 교수는 “환자 유래 줄기세포 모델과 AI를 융합해, 실제 환자의 유전적 특성을 반영한 정밀 안전성 평가 플랫폼을 구축한 것”이라며 “이번 연구는 환자 특이적 유전형을 반영한 AI 정밀 심장 안전성 평가 플랫폼을 세계 최초로 제시했다는 데 의미가 있다”라고 말했다. 이어 “향후 약물의 심장 독성 유발과 관련한 평가의 국제 가이드라인인 CiPA 등과 연계, 글로벌 표준으로 확산될 가능성이 높다”라고 덧붙였다. 한편 이번 논문은 생물학연구정보센터(BRIC)의 ‘한빛사’ 논문으로 선정됐다. 포항공대 생물학연구정보센터(BRIC)는 생명·의과학 분야에서 피인용 지수(Impact Factor)가 10 이상인 학술지나 그룹별 상위 3% 이내의 세계적인 학술지에 생명과학 분야 논문을 게재한 한국 과학자들을 '한빛사'로 선정해 소개하고 있다. 약학과 김정현 교수팀은 앞으로도 국내 연구자들과 팀을 이루어 ▲다중 오믹스 데이터 ▲심장 오가노이드 ▲차세대 AI 모델을 접목한 더욱 고도화된 안전성 평가 시스템을 구축해 나갈 계획이다.
구글아웃리치아주대 포스터

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구글 글로벌 부사장 등과 재학생 대상 간담회 개최, 김준혁 국회의원 등도 참석

[파이어사이드챗(간담회) 진행 모습] 아주대가 크리스 터너 구글 글로벌 부사장, 김준혁 국회의원(수원 정)과 함께 파이어사이드챗(Fireside Chat) 행사를 9월 8일 월요일 오후 3시 율곡관 대강당에서 진행했다. 수원시 내 ICT 진로를 희망하는 고등학교 재학생 70여명과 아주대 학부생 300여명 등 사전 신청으로 모집된 400여명이 참석했다. 파이어사이드챗은 벽난로에 둘러앉아 편안한 분위기에서 격의 없이 소통하는 자리를 일컫는 말로 이날 행사에서는 ‘AI시대, 청년 세대의 미래 준비’란 주제로 최기주 아주대 총장, 크리스 터너 구글 글로벌 부사장, 김준혁 국회의원(수원 정)이 AI가 가져온 환경변화와 청년들이 맞이할 미래에 대한 준비 방법을 교육, 산업, 정치 등 각자의 영역에서 예측하고, 대비하는 방법을 조언했다. 터너 부사장은 ”AI가 모든 것을 바꾸고 있지만, 간과하지 말아야 할 것은 AI는 툴(도구)이라는 사실“이라며 ”AI가 내재적으로 가지고 있는 융합적인 요소들을 잘 이해하고, 활용해서 산출물을 잘 분석하는 능력을 갖춰야 한다“고 말했다. 그리고 ”창의성(Creativity), 소통(Communication), 협력(Collaboration)의 시작 철자인 3C를 강조하며 이를 잘 활용하면 AI가 가지고 있는 잠재력을 최대한 이끌어 낼 수 있을 것“이라고 조언했다. 김 의원은 “AI가 모든 분야에서 활용이 되고 있다. AI를 도구로서 활용해 다양한 기법을 찾고 이를 이용한 기회를 찾는 미래가 실현될 것”이라고 전망했다. 또한 “시대는 질문을 가진 사람들이 만들어가는 것”이라며 “질문이 AI활용에도 중요한 것을 보면, 질문이 시대를 이끄는 리더가 되는데 도움이 될 것”이라고 참석 학생들에게 조언했다. 최기주 총장은 “AI를 활용하는 개인과 사회의 도덕적 기준이 필요함”을 강조하며 “AI가 학교에서 교수법과 학습방식을 급격하게 바꾸고 있는 것처럼 앞으로 그 속도는 더 빨라질 것”이라고 전망했다. 아울러, “대한민국이 선진국이 된 시대에 태어난 지금 세대는 더욱 자신감을 가지고, 더 나은 미래를 꿈꾸기를 바란다”고 말했다. 파이어사이드챗에 이어서 구글 엔지니어들이 직접 진행하는 멘토링 프로그램인 ‘구글 캠퍼스 아웃리치’도 열렸다. 멘토들은 사전에 접수된 학생들의 질문에 자신들의 경험에 기반한 조언을 해 학생들의 호응을 얻었다. 구글 캠퍼스 아웃리치는 구글 코리아의 사회 공헌 프로그램으로, 수원시의 협조로 수원시 고등학생들이 참여해 ICT산업에 대한 글로벌 감각과 산업 이해도를 높일 수 있도록 구글러의 특강, Q&A, 패널토론 등이 마련되었다. 이날 행사는 지난 5월 아주대와 구글 그리고 연세대가 함께 맺은 ‘AI 연구 및 교육 협력 위한 공동 선언’의 일환으로 진행됐다. 선언에는 ▲AI 공동 과제 추진 ▲교육과정 개발 및 커리큘럼 구상 ▲실습 및 워크숍 기회 모색 프로그램 등 다양한 협력내용이 포함되었으며 아주대는 구글로부터 첨단AI 기술과 전문성을 공유받고, 대학 연구진과 학생들이 보다 실질적이고 심화된 학습과 연구를 수행할 수 있도록 다양한 자원과 프로그램을 제공받기로 한 바 있다. 아주대는 올해 경기도 지역혁신중심 대학지원체계(RISE) 사업에 선정되었으며 사업 취지에 따라 지역사회 및 글로벌 기업과의 협력을 강화하고 있으며 이번 행사도 그 일환이다. [파이어사이드챗과 아웃리치 프로그램에 수원시내 고등학생과 아주대 재학생 400여명이 참석했다] [좌측부터 김준혁 의원, 최기주 총장, 크리스 터너 구글 부사장이 상호협력의 뜻을 담아 기념촬영을 하고 있다]
김욱·최상돈 교수팀, 자가면역질환 치료 위한 新 화합물 개발

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김욱·최상돈 교수팀, 자가면역질환 치료 위한 新 화합물 개발

- 안정성·기능성 높은 차세대 경구용 치료제로 새 패러다임 제시 - 네이처 포트폴리오 <실험 및 분자 의학(EMM)> 게재 우리 학교 연구진이 자가면역질환을 일으키는 특정 단백질의 과도한 활성을 선택적으로 억제할 수 있는 화합물을 개발했다. 이에 안정성과 기능성이 높은 차세대 경구용 자가면역질환 치료제로서 새로운 패러다임을 제시할 수 있을 것으로 기대된다. 첨단바이오융합대학·대학원 분자과학기술학과 김욱·최상돈 교수팀은 자가면역질환의 주요 원인으로 알려진 내재성 톨유사수용체의 과도한 활성을 선택적으로 억제하는 신규 저분자 화합물을 개발하는 데 성공했다고 밝혔다. 해당 내용은 ‘ETI41 및 ETI60의 발견: 자가면역질환 치료를 위한 선택적 내재성 톨유사수용체 억제제(Discovery of ETI41 and ETI60: Novel Selective Endosomal Toll-Like Receptor Inhibitors for the Treatment of Autoimmune Diseases)’라는 제목으로 네이처 포트폴리오(Nature Portfolio) 발행 저명 학술지 <실험 및 분자 의학(Experimental & Molecular Medicine)>에 9월1일 온라인 게재됐다. 이번 연구에는 아주대 의학과 서창희 교수(류마티스내과학교실), 응용화학과 김문석 교수가 함께 참여했다. 대학원 분자과학기술학과 정의석·이왕희 박사가 제1저자로 실험과 분석에 주도적으로 참여했다. 자가면역질환 및 염증성질환 신약 개발 기업 ㈜에스앤케이테라퓨틱스(대표 최상돈)도 함께 참여했다. 인체의 면역체계가 본래의 방어 기능을 넘어 자가 조직을 공격함으로써 발생하는 자가면역질환은, 발병 원인이 명확하게 밝혀지지 않은데다 증상과 발현 부위가 다양하다. 때문에 암과 심혈관 질환에 이어 많은 수의 환자가 고통을 받아온 난치병 중 하나다. 대표적인 자가면역질환으로 류마티스 관절염, 1형 당뇨, 전신홍반루푸스, 건선, 염증성 장 질환(크론병) 등이 있다. 자가면역질환의 치료는 과도하게 활성화된 면역 반응을 억제해 면역체계의 과잉 반응을 줄이는 방식으로 이루어지는데, 기존의 치료제는 전신의 면역을 광범위하게 억제하는 방식으로 작용한다. 때문에 ▲감염 위험 증가 ▲장기 독성 노출 등 여러 부작용에 노출될 수밖에 없다. 더욱이 치료에 고가의 주사제가 필요한 경우가 많아, 환자들이 비용과 병원 방문에 부담을 느낄 수밖에 없는 상황이다. 때문에 환자의 편의성을 높이고 비용은 낮추며, 안정성과 기능성을 갖춘 경구용 치료제의 개발이 필요하다. 아주대 연구팀은 이러한 문제를 극복하기 위해 자가면역질환의 발병에 핵심적으로 관여하는 내재성 톨유사수용체(Endosomal Toll-like Receptors, TLR)의 신호 경로에 주목했다. 내재성 TLR 3, 7, 8, 9는 세포 내 소기관에 위치하면서 병원체 유래 핵산을 인식해 강력한 면역 반응을 일으키지만, 과도하게 활성화되는 경우 만성 자가면역질환을 유발한다는 점에 착안해 기존과 다른 차별화된 접근법을 도입한 것. 연구팀은 인공지능 컴퓨팅을 활용한 구조-활성도 관계(Structure-Activity Relationship, SAR) 기반의 약물 설계 기법을 통해 여러 유도체를 합성하고, 이 과정에서 ETI15라는 후보물질을 발굴했다. 이후 후보물질의 분자 구조를 최적화해 ETI41(Endosomal TLR Inhibitor 41)과 ETI60(Endosomal TLR Inhibitor 60)을 개발하는 데 성공했다. 새로 개발한 저분자 화합물 ‘ETI41’과 ‘ETI60’은 세포 내 TLR 3, 7, 8, 9에 대해서만 강력한 억제 효과를 보였으며, 세포 표면 TLR(TLR 1, 2, 4, 5, 6)에는 영향을 미치지 않아 높은 선택성을 입증했다. 연구팀은 분자 도킹(molecular docking)과 표면 플라즈몬 공명(surface plasmon resonance) 분석을 통해 두 화합물이 TLR 7과 TLR 9의 Site 1 결합 부위와 직접 상호작용한다는 사실을 규명했다. 이는 주요 염증 신호 경로(NF-κB, MAPK, IRF7 등)의 활성 억제로 이어진다. 신약 후보 물질인 ETI41과 ETI60이 내재성 톨유사수용체에 어떻게 선택적으로 결합·작용하는지를 분자 수준에서 정밀하게 보여주는 이미지. 이를 통해 전신의 면역을 광범위하게 억제하지 않고, 특정 면역 감지 수용체만을 선택적으로 억제할 수 있다. 연구팀이 새로 개발한 저분자 화합물은 전임상 동물실험에서도 우수한 효능이 확인됐다. 만성 염증성 피부 질환인 건선의 마우스 모델에서 하루 60mg/kg의 경구 투여만으로 표피 두께가 67% 감소했고, 염증성 사이토카인(IL-17A, IL-23) 발현은 90% 이상 억제됐다. 또한 온몸에 염증이 생기는 질환인 루푸스의 모델 마우스에서는 30mg/kg 투여 시 항 이중가닥 DNA항체(anti-dsDNA) 생성이 80% 억제, 신장 내 IgG 침착이 70% 이상 감소하는 등 주요 질환 지표가 현저히 개선됐다. 뿐만 아니라 300mg/kg의 고용량 투여에도 독성 징후가 관찰되지 않아, 차세대 경구용 자가면역질환 치료제로서의 안전성과 가능성을 동시에 입증했다. 연구를 주도한 김욱 교수는 “이번에 개발한 두 화합물은 기존 면역억제제와 달리 면역 반응 전체를 억제하는 것이 아니라 내재성 TLR 과활성화를 선택적으로 억제하는 세계 최초의 후보물질”이라며 “자가면역질환의 치료 효율성과 안정성, 편의성 측면에서 여러 장점을 가지고 있다”라고 설명했다. 연구팀은 앞으로 후속 연구를 통해 류마티스관절염, 염증성 장 질환, 심혈관계 염증 질환 등의 여러 난치성 자가면역질환으로 적용 범위를 확대해 나가면서 글로벌 신약 개발까지 도전한다는 계획이다. 이번 연구는 한국연구재단 기초연구사업(글로벌기초연구실사업 및 중견연구)과 경기도 지역협력연구센터(GRRC) 사업의 지원을 받아 수행됐다. 특허 출원과 기술이전이 완료되어 전임상을 마쳤고, 현재 ETI41을 중심으로 후속 임상 개발이 진행 중이다. * 제일 위 그림 설명 - 아주대 연구팀이 개발한 신규 저분자 화합물 ETI41과 ETI60의 치료 효능을 자가면역질환 동물모델을 통해 설명하는 이미지. 건선 모델 7주령 C57BL/6 마우스에 ETI41 또는 ETI60를 매일 60mg/kg 경구 투여한 결과, 피부 두께(표피 및 진피)가 현저히 감소했으며, 염증세포 침윤과 염증성 사이토카인(IL-17A 및 IL-23) 발현이 크게 억제됐다. 육안 및 조직학적 관찰에서 염증과 각질 증가가 완화되는 치료 효과를 분명히 확인할 수 있었다.