실험동물(lab animal)을 대신하는 인공지능 시스템

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새로운 치료약을 개발할 때는 신약의 안전성과 효과를 확인하는 방법으로 쥐, 기니아피그, 토끼, 개, 돼지, 침팬지 등의 동물(실험동물)에게 먼저 처방하여 효과를 검정한다는 것은 모두가 알고 있다. 이들 실험동물은 신약의 효과만 아니라 새로운 진단장치 개발과 조직 이식 수술법 등을 연구할 때도 이용된다. 의약과 치료기술 개발에 소비되는 실험동물의 수는 연간 수억만 마리이다. 그러므로 그들을 양육하는 비용 또한 막대하다. 국제 동물애호 및 이용 위원회(Animal Welfare Act)에서는 실험동물의 희생 수와 고통을 최소화할 것을 요구하고 있다. 근년에 와서 의학연구기관에서는 실험동물 대신 인공지능을 이용하는 대체방법을 찾고 있다.

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실험동물이라고 하면 학교에서 해부 실험에 이용했던 개구리를 생각한다. 오래 전부터 실험동물로 이용되어온 개구리는 해부학적으로만 아니라 생물전기를 비롯한 온갖 생리적 실험에도 이용되고 있다. 초파리는 유전 연구에 이용되는 너무나 유명한 실험곤충이다.

 

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실험동물은 백신과 신약만 아니라 새로운 화장품이나 샴푸를 개발할 때도 먼저 실험의 대상이 된다. 실험동물을 대상으로 한 시험 결과가 긍정적이라고 해서 인체에 바로 적용할 수 있는 것은 아니다. 실험동물과 인체는 많은 경우 약물에 대해 다른 반응을 나타낸다. 무게가 수백g인 생쥐와 체중 70kg인 사람이 약물에 대해 같은 반응과 효과를 낼 수 없는 것이다.

 

 

 

실험동물과 인체는 반응이 다르다. 예를 들어보자. 아스피린은 거의 모든 사람에게 진통과 심장발작 진정 효과가 있는 안전한 의약이다. 반면에 쥐에게는 아스피린이 독약이 된다. 인간에게는 안전하지만 실험동물에 대해서는 독성을 나타낸 것이다.

 

 

 

남부아시아의 민물에 사는 관상어 제브라피시(zebrafish)는 발암물질과 항암제를 연구할 때 가장 많이 이용되는 실험동물이다. 성어의 길이가 2.5-4cm인 제브라피시는 알에서 성체가 되는데 걸리는 기간이 2-3개월이다. 생활주기가 짧기 때문에 실험결과를 파악하는데 긴 시간이 걸리지 않는다. 제브라피시의 몸에 암조직이 발생하면 일차적으로 발암물질로 취급된다. 동시에 항암물질 연구에도 이용된다. 실험동물에게는 항암효과가 있는 물질이지만 인체에는 무효한 경우가 훨씬 많다.

 

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실험동물의 희생을 줄이는 운동

실험동물의 희생을 줄이자는 운동은 1959년부터 시작되었다. 실험동물 연구자들은 3가지 ‘3Rs’ 즉 Reduction(감소), Refinement(개선), Replacement(대체) 운동을 시작한 것이다. 다시 말하자면 ‘가능한 한 실험동물의 희생 수를 줄이고, 그들에게 주는 고통을 줄이고, 실험동물을 대체할 방법을 찾자’는 것이다.

 

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60년 전에는 3Rs를 실천하기가 지극히 어려웠다. 그러나 인공지능이 발달하면서 실험동물의 희생을 대폭 감소시키는 방법이 개발되고 있다. 그렇다고 인공지능 시스템이 실험동물을 대신하는 것은 아니다.

 

 

예를 들어보자. 한 가지 신약의 효과를 시험하려면 약의 양에 따른 효과, 각 양에 따른 효과적인 처방 기간 등을 조사하게 된다. 그러면 각 대조구(조건)마다 수십 수백 마리씩 전체적으로 수천수만 마리의 실험동물이 희생 된다.

 

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실험동물을 장기간 이용해오는 동안 과학자들은 실험동물과 인체의 세포가 약물(화학물질 또는 방사선)에 대해 어떤 반응을 하는지 여러 가지 정보(데이터베이스)를 대량 확보하게 되었다. 의약 개발자들은 이런 축적된 데이터베이스를 이용하여 실험동물의 희생을 최소화하면서 그 결과를 더 정확하게 추정하는 인공지능 기술(organ-on-chips technology)을 개발하고 있는 것이다.

 

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아래에 소개하는 미국의 한 연구(2023년)에서는 190,000종의 화학물질에 대한 독성을 인공지능 시스템으로 분석했다. 그 결과 인공지능 시스템은 87%의 물질에 대한 독성을 확실히 파악할 수 있었다.

Journal:T. Hartung.Artificial intelligence as the new frontier in chemical risk assessment. Frontiers in Artificial Intelligence. Vol. 6, October 16, 2023.

 

 

인공지능의 데이터베이스는 치료약만 아니라 백신 개발에도 이용되고 있다. 코비드-19 백신의 경우, 실험동물만을 이용해야 하던 과거라면 10-15년 걸릴 개발 기간이 1년 이내로 줄어들 수 있었던 것은 이러한 인공지능의 이용 덕분이었다.

 

 

 

백신 개발자들은 코로나바이러스의 성질에 대한 데이터베이스가 가득 저장된 인공지능을 이용하여 백신 성분이 바이러스의 어떤 부위에 붙어서 공격하게 되는지 알 수 있었다. 이러한 인공지능의 분석은 백신 개발 기간과 비용을 극적으로 단축시켰다.

 

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인공지능으로 신약의 부작용도 판별

많은 의약은 치료 효과와 동시에 부작용도 나타낸다. 독성물질의 부작용 피해는 인체의 간에서 나타나기 시작한다. 이는 간이 해독물질을 무해하게 분해하는 중요한 기관이기 때문이다.

 

 

실험동물은 이런 약물의 부작용을 확인하는 데도 반드시 필요하다. 2023년에 발표된 아래의 연구 논문은, 8,000마리의 쥐가 나타낸 부작용을 기억시킨 인공지능을 이용하여, 개발 중인 3가지 신약에 대한 부작용을 예측한 결과이다. 마치 100,000마리의 쥐를 대상으로 실험한 것과 같은 결과를 얻었다고 한다.

Journal:T. Hartung.Artificial intelligence as the new frontier in chemical risk assessment. Frontiers in Artificial Intelligence. Vol. 6, October 16, 2023.

 

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최소한의 실험동물 희생

실험동물을 이용하여 신약이 인체에 미치는 영향을 조사할 때, 동물 몸 전체가 아니라 간이나 위, 폐, 뇌, 뼈와 같은 특정 부분의 영향만 조사해도 되는 경우가 있다. 과거에는 이런 연구를 할 때 언제나 실험동물을 해부하여 그 조직의 상태를 확인했다.

 

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최근 하버드 의과대학에서는 간, 심장, 뇌, 피부세포 등과 비슷하게 반응하는 인공 조직을 칩으로 만들어 신약이 조직에 미칠 영향을 예측하는 연구를 하고 있다. 인공지능을 이용하는 이런 예비 조사는 실험동물의 희생을 크게 줄일 수 있다.

 

 

 

실험동물을 이용한 논문이 매년 100,000편 정도 발표되고 있다. 논문마다 다수의 실험동물이 이용되었을 것이므로, 전체 희생 수는 수백만 마리일 것이다.

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피부약 개발에 이용되는 실험동물 돼지

인체의 피부는 온갖 병균과 화학물질의 피해를 입는다. 피부를 보호하는 신약의 효능과 부작용을 시험할 때는 인간 피부와 완전히 일치하지는 않지만 가장 비슷한 피부를 가진 돼지를 이용한다. 따라서 일반인은 인식하지 못하지만 수많은 돼지가 실험동물로 희생되고 있다. 돼지는 신장이나 심장, 간 이식 수술 개발에 필요한 실험동물이기도 하다.

 

 

 

수포성표피박리증이라 불리는 희귀한 피부병이 있다. 상처를 입으면 물집이 생기고 잘 낫지 않으며, 상처가 매우 아픈 특수한 피부병이다. 이 피부병 환자는 대개 20세 이전에 사망한다고 알려져 있다. 영국 버밍험대학의 의학자 그로버(Lian Grover)는 돼지를 희생시키는 대신 인공지능 피부를 만들어 이 피부병의 치료약을 개발하고 있다.

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우주여행의 실험동물

장기 우주여행을 하거나 다른 천체에 생존기지를 세웠을 때는, 거기에서 식량으로 이용할 돼지, 닭, 물고기, 곤충 등을 사육해야 한다. 그러므로 그들이 무중력 조건에서 어떤 생리적 반응을 하고, 생장 상태는 어떠하며, 뼈와 조직에는 어떤 변화가 생기는지 미리 알아야 할 것이다.

 

 

 

기니어피그(guinea pig)는 폐렴균에 대한 연구와 비타민C 결핍에 대한 연구에 많이 이용된 설치류에 속하는 실험동물이다. 기니어피그는 인간과 함께 일찍이 우주여행을 한 실험동물이다. guinea pig이지만 기니아산도 아니고 돼지도 아니다. 남아메리카의 안데스가 원산이고, 지금은 야생이 없이 전부 애완동물로 사육되고 있다.

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우주선에 돼지를 태우고 장기간 실험하기는 어렵다. 현재 우주과학자들은 우주에서 사육해야 할 동물들에 대한 예비실험을 하고 있다. 그들을 우주선에 태워 보내는 대신 인공지능 시스템을 이용하여 우주선이나 다른 천체에서 발생할 일들과 사육 방법을 연구하는 것이다.

 

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생물학과 의학 연구에 이용되는 실험동물의 종류는 대단히 다양하고 필요한 양도 많다. 2015년의 통계에 의하면, 이 해에 세계적으로 실험동물로 희생된 동물의 수는 1억 9,200만 마리였다고 한다. 미국의 경우 2001년 한 해 동안에 실험에 이용된 쥐가 8,000만 마리였다. 따라서 실험동물을 전문으로 사육하여 제약회사와 기타 연구소에 공급하는 일은 거대 산업의 하나이기도 하다.

 

전파과학사 <과학상식 Q & A> - YS

 

 

 

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