신약개발 과정에서 활용되는 비임상 평가체계가 변화하고 있다. 동물모델 중심의 기존 평가체계에 더해 오가노이드, 장기칩(MPS), 인공지능(AI) 기반 분석기술을 활용한 인체 기반 평가기술 연구가 확대되고 있다. 미국 식품의약국(FDA), 유럽의약품청(EMA), 일본 의약품의료기기종합기구(PMDA) 등 주요 규제기관도 관련 기술의 검증 및 활용 방안을 검토하고 있다.

최정민 한국바이오의약품협회 이사는 지난 5일 서울대학교 호암교수회관에서 열린 ‘2026 한국FDC규제과학회 춘계학술대회’에서 '제약바이오 산업에서 오가노이드를 활용한 동물대체시험법 동향과 전망'을 주제로 발표하고 NAMs(New Approach Methodologies) 기술 동향과 산업 활용 사례, 글로벌 규제 동향을 소개했다.

최 이사는 최근 비임상 평가 분야에서 NAMs 활용 논의가 확대되고 있다고 설명했다. 그는 과거 동물대체시험법이 동물실험을 줄이거나 대체하는 개념으로 이해됐다면 최근에는 사람의 생체 반응을 보다 정확하게 예측하기 위한 새로운 평가 접근법으로 개념이 확장되고 있다고 말했다.

현재 NAMs에는 오가노이드, 장기칩(MPS), AI 기반 예측모델, 인실리코(In Silico) 모델, 멀티오믹스 분석 등이 포함된다. 각각의 기술이 독립적으로 활용되는 것이 아니라 다양한 데이터를 통합해 독성, 유효성, 약물 반응을 평가하는 방향으로 발전하고 있다는 설명이다.

최 이사는 비임상 평가 환경 변화의 배경으로 신약개발 초기 단계에서 사람의 반응을 보다 정확하게 예측할 수 있는 모델에 대한 수요 증가를 제시했다. 기존 동물모델은 여전히 중요한 평가수단으로 활용되고 있으나 종간 차이로 인해 실제 인체 반응을 충분히 설명하지 못하는 경우가 있다는 것이다.

이에 따라 후보물질 탐색 단계부터 인체 기반 모델을 활용해 독성 및 유효성을 조기에 확인하려는 연구가 확대되고 있으며, 비임상 데이터와 임상 데이터를 연결하기 위한 시도도 증가하고 있다고 설명했다. 멀티오믹스 분석과 AI 기반 분석기술 발전 역시 이러한 흐름을 뒷받침하고 있다고 덧붙였다.

발표에서는 인체 기반 모델의 발전 과정도 소개됐다.

초기에는 2차원 세포배양이 활용됐지만 실제 장기의 구조와 기능을 충분히 반영하기 어렵다는 한계가 있었다. 이후 3차원 스페로이드 기술이 등장하면서 세포 간 상호작용을 보다 정교하게 구현할 수 있게 됐다. 최근에는 오가노이드와 장기칩 기술이 결합하면서 장기의 구조와 기능뿐 아니라 혈류, 기계적 자극, 장기 간 상호작용까지 모사하는 연구가 진행되고 있다.

최 이사는 오가노이드를 줄기세포 또는 환자 유래 세포를 기반으로 형성되는 3차원 세포 구조체라고 설명했다. 특정 장기의 구조와 기능을 일정 부분 재현할 수 있으며, 간·장·폐·뇌 등 다양한 장기 모델이 개발되고 있다고 소개했다.

오가노이드는 약물 반응과 독성 평가에 활용되고 있으며, 환자 유래 세포를 이용할 경우 질환 특성 분석이나 환자별 약물 반응 연구에도 적용할 수 있다. 이러한 특성으로 인해 신약개발, 독성평가, 정밀의료, 질환 연구 분야에서 활용 범위가 확대되고 있다고 설명했다.

오가노이드와 함께 장기칩(MPS)에 대한 설명도 이어졌다.

장기칩은 세포 또는 오가노이드를 칩 내부에 배치하고 유체 흐름과 기계적 자극을 부여해 실제 인체와 유사한 환경을 구현하는 기술이다. 최 이사는 "오가노이드는 세포 기반 구조체이고 장기칩은 해당 구조체가 작동하는 환경"이라고 설명했다.

그는 오가노이드 단독 모델과 장기칩 기반 모델이 경쟁 관계가 아니라 평가 목적에 따라 선택적으로 활용될 수 있으며 상호보완적으로 사용될 수 있다고 말했다.

최 이사는 NAMs 기술이 신약개발 전주기에 적용되고 있다고 설명했다.

후보물질 탐색 단계에서는 AI와 세포 기반 분석기술을 활용해 초기 독성과 효능을 평가한다. 비임상 단계에서는 오가노이드와 장기칩을 이용해 약물 반응과 독성을 분석한다. 초기 임상에서는 바이오마커 탐색과 환자군 분류에 활용되며, 규제 단계에서는 허가자료 보완과 안전성 평가 등에 활용될 수 있다고 설명했다.

글로벌 제약사들의 활용 사례도 소개됐다.

로슈는 인간 생물학 기반 연구 플랫폼 역량 확대를 추진하고 있으며, 머크는 오가노이드 플랫폼 기술 확보를 위한 투자를 진행하고 있다고 설명했다. 아스트라제네카는 AI 기반 독성 평가 플랫폼을 활용하고 있으며, 삼성바이오로직스는 오가노이드 기반 서비스를 확대하고 있다고 전했다.

최 이사는 글로벌 제약사들이 후보물질 선별 과정과 독성 평가 단계에서 NAMs 활용을 확대하고 있으며 이를 통해 임상시험 이전 단계의 예측력을 높이려는 시도가 이뤄지고 있다고 설명했다.

발표에서는 규제 활용 동향도 다뤄졌다.

최 이사는 새로운 기술이 규제 의사결정에 활용되기 위해서는 기술의 우수성뿐 아니라 재현성, 정확성, 신뢰성에 대한 검증이 필요하다고 말했다.

그는 NAMs 기술이 개발 단계에서 시작해 활용 경험과 데이터가 축적되면서 특정 평가 목적에 맞는 시험법으로 발전하는 과정을 거친다고 소개했다. 이 과정에서 사용 목적(Context of Use)을 명확히 설정하고 검증과 적격성 평가를 수행해야 한다고 설명했다.

FDA의 ISTAND(Innovative Science and Technology Approaches for New Drugs) 프로그램도 소개됐다.

ISTAND는 새로운 평가기술의 규제 활용 가능성을 검토하기 위한 프로그램이다. 참여 기업은 활용 목적을 제시한 뒤 FDA와 함께 검증 계획을 수립하고 단계별 평가를 받는다.

최 이사는 미국 Emulate의 간 장기칩이 오가노이드·장기칩 분야에서 최초로 ISTAND 검증 절차에 진입했으며 현재 최종 단계에 있다고 설명했다. 해당 기술은 약물 유발 간독성 평가를 목적으로 검토가 진행되고 있다고 소개했다.

FDA 외에도 EMA와 PMDA 등 주요 규제기관이 관련 기술의 활용 방안을 검토하고 있다고 설명했다.

EMA는 2026년 가상대조군 활용과 관련한 적격성 의견 초안을 발표했으며, PMDA는 NAMs 워킹그룹과 내부 검토체계를 운영하고 있다고 소개했다.

오가노이드 시장 규모도 확대되고 있다.

발표에 따르면, 글로벌 오가노이드 시장은 2024년 약 15억6000만 달러에서 2029년 약 42억2000만 달러 규모로 성장할 것으로 전망된다. 아시아·태평양 지역 역시 높은 성장률이 예상되고 있다.

국내 시장은 2024년 약 2500억원 규모로 제시됐으며 2030년까지 연평균 26% 수준의 성장률이 전망되고 있다고 소개됐다. 오가노이드사이언스 등 관련 기업의 상장과 함께 산업 생태계도 확대되고 있다고 설명했다.

글로벌 기업 사례로는 미국 Emulate, 네덜란드 Mimetas, 영국 CN Bio가 소개됐다.

Emulate는 간·폐·심장 등 다양한 장기칩 플랫폼을 개발하고 있으며 글로벌 제약사들과 공동연구를 진행하고 있다. Mimetas는 고처리량 장기칩 플랫폼을 기반으로 신약 후보물질 평가와 독성 분석을 수행하고 있다. CN Bio는 다양한 장기 모델을 활용해 독성평가와 약물동태 연구를 수행하고 있다고 설명했다.

최 이사는 지난달 미국 워싱턴DC에서 열린 MPS World Summit 사례도 소개했다.

그는 행사에서 표준화, 재현성, 규제 수용성에 대한 논의가 진행됐으며 일본과 중국이 관련 논의에 적극 참여하고 있다고 설명했다.

또 NAMs 기술 활용 확대를 위해서는 정부 연구개발 투자, 국제 협력, 산업계와 규제기관 간 연계가 필요하다고 밝혔다. 제약사와 플랫폼 기업, 병원, 학계, 규제기관이 참여하는 협력 체계 구축도 필요하다고 설명했다.

최 이사는 현재 한국바이오협회가 운영 중인 K-오가노이드 컨소시엄을 소개하며 기업, 연구기관, 정부기관 등이 참여해 기술 교류와 산업 협력을 추진하고 있다고 설명했다. 현재 약 28개 기관이 참여하고 있으며 연구성과 공유와 글로벌 협력 확대를 추진하고 있다고 덧붙였다.