신약 실험, 단 한 번으로 끝낸다…KAIST·충남대 ‘혁신 알고리즘’ 개발

KAIST, 6만 편 논문 대신할 약물 저해효과 예측 분석법 제시

충남대-IBS 협업, 하나의 농도로 저해상수 추정 '50-BOA' 개발

수학적 접근으로 생명과학 실험 설계 혁신

[대전=뉴시스] KAIST-충남대학교-IBS가 개발한 50-BOA와 기존 방식 비교도. 50-BOA는 다양한 저해제 농도를 사용하는 기존 방식과 달리 단일 농도만을 사용해 저해상수 추정의 정확도와 효율을 개선했다.(사진=KAIST 제공) *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 신약 개발 과정에서 수많은 반복 실험을 줄이면서도 정확도를 높일 수 있는 새로운 분석기법이 국내 공동연구진에 의해 개발됐다.

한국과학기술원(KAIST·카이스트)은 수리과학과 김재경 교수팀과 충남대 약대 김상겸 교수팀이 기초과학연구원(IBS) 의생명수학그룹과 공동연구를 통해 단 하나의 실험으로 '약물 저해 효과'를 예측할 수 있는 방안을 제시했다고 15일 밝혔다.
 
약물 저해 효과는 한 약물이 특정 효소의 작용을 억제해 다른 약물의 대사(분해 및 처리 과정) 또는 생리학적 효과에 영향을 주는 현상이다.

기존 신약 개발에선 수많은 농도 조건에서 반복 실험을 거쳐 약물 간 상호작용을 분석하고 저해상수를 추정하는 방식이 사용돼 왔고  이 방법은 지금까지 6만 편 이상의 논문에 활용될 만큼 널리 쓰였다.

이번에 공동 연구팀은 수학적 모델링과 오차 지형(각 매개변수 조합에서 오차가 얼마나 되는지를 보여주는 지형도) 분석을 통해 정확도 향상에 기여하지 않는 저해제 농도를 제거하고 단 하나의 농도만으로도 저해상수를 정확하게 추정할 수 있는 새로운 분석법 '50-BOA'를 제안했다.
 
이번 연구는 반복 실험에 따른 자원 소모를 줄이고 해석의 편차를 최소화해 신약 개발과정의 효율성을 높일 수 있는 새로운 접근법으로 주목받고 있으며 수학적 접근이 생명과학 실험 설계를 어떻게 혁신할 수 있는지를 보여주는 대표적인 성과로 평가된다.

저해상수는 약물 효과뿐 아니라 병용 투여 시 발생할 수 있는 약물상호작용을 예측하고 방지하는 데 핵심적인 지표로 활용된다.

전통적으로 저해상수는 다양한 기질 및 저해제 농도에서 측정된 대사 속도 데이터에 수학 모델로 추정해왔다. 그러나 이 방식은 동일한 기질-저해제 조합에 대해 연구마다 추정값이 10배 이상 차이나는 사례들이 보고돼 신약 개발과정에서 약물의 효과와 부작용을 정확히 예측하는 데 어려움이 있다.

연구팀이 저해상수 추정 과정을 수학적으로 분석한 결과, 기존 방식에서 활용되는 데이터의 절반 이상이 실제 추정에 불필요하거나 오히려 왜곡을 초래할 수 있음을 밝혀냈다.

이는 저해제 농도를 다양하게 사용하는 기존 방식보다 충분히 높은 저해제 농도 하나에서 추정한 결과가 더 정확하고 효율적일 수 있다는 의미다.

이어 연구팀은 저해제 농도와 저해상수 간의 관계를 나타내는 식을 정칙화(잘못 설정된 문제를 풀거나 과적합을 방지하는 기법)로 추가해 정확도를 더욱 높인 새로운 분석법 '50-BOA'를 개발했다.

50-BOA는 단 하나의 저해제 농도만으로도 저해상수를 정확하게 추정할 수 있어 실험 횟수를 크게 줄이면서도 오히려 정확도를 높인 획기적인 기법이다.

실제 약물 데이터 적용에서 50-BOA는 기존보다 75% 이상 적은 데이터만으로도 저해상수를 정확하게 추정할 수 있음이 증명됐다.

충남대 김상겸 교수는 "이번 연구는 수십 년간 정형화된 약물 실험설계를 근본적으로 재검토하게 만들었다"며 "단순한 실험 효율 향상을 넘어 약효와 부작용 예측의 정확도를 높일 수 있는 새로운 표준이 될 것"이라고 밝혔다.

연구 논문은 KAIST 융합인재학부 장형준 학사과정과 수리과학과 송윤민 박사가 공동 제1 저자로 참여했으며 지난 5일자로 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에  실렸다.(논문명 : Optimizing enzyme inhibition analysis: precise estimation with a single inhibitor concentration)

KAIST 김재경 교수는 "수학이 실험설계를 바꾸고 생명과학 분야의 연구 효율성과 재현성을 근본적으로 높일 수 있음을 보여주는 대표적 사례다"고 의미를 부였다.


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