공상과학(SF) 영화에 단골로 등장하는 인공장기 시대가 다가오고 있다. 여전히 인공장기로 교체해 영생을 사는 삶은 먼 미래 얘기지만, 오가노이드 기술이 발전하면서 영화 속 이야기가 하나둘씩 실현되고 있다. 약업신문은 바이오헬스케어 산업의 새 패러다임 오가노이드와 이 기술로 미래를 앞당기고 있는 유망 기업을 시리즈로 소개한다.<편집자 주>

신약개발 성공률을 높이는 데 여러 가지 방법이 있지만, 무엇보다 전임상시험 단계에서 검증이 주요 사항으로 꼽힌다. 전임상에서의 정확한 결과가 향후 개발 전략을 설정하는 첫 단추가 되기 때문이다. 그래디언트 바이오컨버전스는 대규모 환자 유래 오가노이드를 구축하고 이를 활용해 인체 반응성과 매우 유사한 평가 기술을 구축, 신약개발 성공률 향상을 목표로 세웠다.

그래디언트 바이오컨버전스는 오가노이드 기반의 타깃 발굴 전문 기업이다. 2017년 4월 설립된 오가노이드 전문 연구소인 인터파크바이오융합연구소(IBCC)를 모태로, 2022년 4월 그래디언트 바이오컨버전스로 출범했다.

그래디언트 바이오컨버전스 이진근 대표는 포항공과대학교 생명과학과를 졸업하고 조지워싱턴대학교 석사와 에콜 노르말 쉬페리외르(Ecole Normale Superieure) 박사를 취득했다. 이후에는 삼성전자 종합기술원, 동아에스티, 휴젤, 인터파크바이오컨버전스 등을 거치며 신약개발에서의 오가노이드의 유망성과 시장성에 주목하고 본격적으로 오가노이드 분야에 뛰어들었다.

그래디언트 바이오컨버전스는 현재 800여종의 암환자 유래 오가노이드(patient-derived organoid, PDO)와 유전체분석(NGS) 데이터를 기반으로 오가노이드 뱅킹 시스템을 구축했다. 여기에 새로운 항암 신약을 발굴할 수 있는 자체 AI 플랫폼도 개발해 접목했다. 그래디언트 바이오컨버전스의 타깃 발굴 플랫폼은 약물 평가, 약물 스크리닝 서비스 등에서 강점을 가졌다.

그래디언트 바이오컨버전스는 오가노이드 사업을 본격화했다. 아시아 최대 PDO 뱅킹과 AI 기반의 타깃 발굴 플랫폼 기술력이 궤도에 오른 만큼 오가노이드 시장을 선점하기 위해서다. 

그래디언트 바이오컨버전스는 지난 2월 미국 스트랜드 테라퓨틱스(Strand Therapeutics)와 닥터노아바이오텍과 각각 차세대 메신저리보핵산(mRNA) 치료제, 희귀질환 치료제 개발을 시작했다. 같은 달 싸이토젠과도 순환종양세포(CTC) 기반의 오가노이드 제작을 위한 업무협약도 체결했다.

이 외에도 그래디언트 바이오컨버전스는 비씨켐과 신규 타깃 발굴 및 표적항암제를 개발, 신테카바이오와 오가노이드 기반의 AI 신약개발 플랫폼 구축 및 신규 타깃 항암제 개발을 위해 협력하고 있다. 최근엔 고려대학교 안암병원 및 HLB바이오스텝과 각각 오가노이드 정밀의료 사업화, 암환자 유래 오가노이드 이식 동물 모델(Patient-derived Organoid Xenograft, PDOX) 사업화를 위한 업무협약도 체결했다.

그래디언트 바이오컨버전스는 탄탄한 지식재산권을 구축하고 이를 활용한 라이선스 사업화도 추진 중이다. 회사는 지난 2021년 7월 폐 및 췌장 오가노이드 배양 방법에 대한 특허를 취득, 탈세포화 기술 기반 체내 조직 환경 모사가 가능한 지지체 제작 기술을 라이선스 아웃하는 데 성공했다. 포항공대 스핀오프 기업 에드믹바이오는 그래디언트 바이오컨버전스의 폐 오가노이드 배양용 소재 관련 특허를 활용해 3차원(3D) 배양용 지지체의 양산 공정 확립과 상업화를 진행 중이다.

그래디언트 바이오컨버전스 이진근 대표는 “퍼스트 인 클래스 신약개발을 위해선 신규 타깃과 이를 검증할 시험 모델 확보가 필수적”이라면서 “그래디언트 바이오컨버전스는 검증 초기부터 인체 유래 물질인 오가노이드 모델을 활용해 더 신속하고 정밀한 타깃 검증을 지원할 수 있다”고 밝혔다.

이어 이 대표는 “국내 제약바이오 기업이 그래디언트 바이오컨버전스 오가노이드 뱅킹과 플랫폼 기술을 활용해 퍼스트 인 클래스 타깃을 발굴할 수 있도록, 약효 평가 서비스를 시작으로 다양한 오가노이드 기반 서비스를 고도화시켜 나갈 것”이라고 강조했다.

아시아 최대 규모 PDO 뱅킹

그래디언트 바이오컨버전스는 아시아 최대 규모의 PDO 뱅킹을 구축하고, 이를 신약개발 및 약효평가 등에 활용 중이다. 협력 병원으로부터 다양한 암환자의 암 조직 및 정상조직을 확보해 자가유래 T세포, 암 연관 섬유아세포(Cancer Associated Fibroblast, CAF), PDO의 공배양 시스템을 구축함으로써 환자별 유전자 특성, 치료 이력 등이 구분된 800여종의 오가노이드와 오가노이드에 대한 차세대 염기서열 분석(NGS) 결과를 확보했다. 현재 연세의료원, 분당서울대학교병원, 삼성서울병원, 원자력병원, 단국대학교병원, 중앙대학교병원 등 여러 대형 병원과 협력을 강화하고 내년 말까지 PDO 뱅킹 규모를 1000종 이상으로 늘릴 예정이다.

특히 그래디언트 바이오컨버전스는 2019년 12월 국내 최초로 네덜란드 휘브레흐트 오가노이드 테크놀로지(HUB)와 오가노이드 기술사용 특허권 및 기술 이전에 대한 라이선스 계약을 체결했다. 또 기관생명윤리위원회(IRB) 승인을 받은 기관들과도 협력을 적극 모색, 오가노이드 기술의 특허와 윤리 문제를 해결했다. 이는 장 오가노이드 배양에 처음으로 성공한 일본 게이오대학교 사토 토시로(Sato Toshiro) 교수를 과학자문위원단으로 영입할 수 있었던 배경이 됐다.

AI 기반 타깃 발굴로 신약 성공 가능성 향상

그래디언트 바이오컨버전스는 자체 AI 기술을 적용한 PDO 기반의 오가노이드 바이오마커 발굴 플랫폼을 개발하고, 혁신신약 개발의 초석인 신규 타깃 발굴 사업을 진행 중이다. 특히 방대한 PDO 기반 데이터를 신속 정확하게 분석할 수 있도록 AI 기술을 접목시켜 신규 항암 타깃 발굴의 정확도를 높였다. 자체 개발한 AI 알고리즘은 다양한 환자의 입체적인 정보를 통합해 혁신 항암 타깃을 발굴한다. 현재 사내 AI 전문 인력만 해도 10명이 넘는다.

그래디언트 바이오컨버전스만의 PDO와 AI 알고리즘이 적용된 타깃 발굴 플랫폼은 다양한 분석 알고리즘과 통계 필터링을 단계적으로 적용하는 분석 방식을 채택해, 기존에는 접근이 어려웠던 유전체 정보 영역에서 신뢰도 높은 항암 타깃을 발굴한다. 발굴된 타깃은 PDO 기반의 크리스퍼 유전자가위(CRISPR) 시스템을 이용한 실험적 분석을 통해 검증 초기부터 인체 유래물 기반의 타깃 유효성 검증 및 선별이 이뤄진다는 장점이 있다.

정밀의료의 시작, 면역항암제 스크리닝 플랫폼

그래디언트 바이오컨버전스는 오가노이드 공배양 시스템을 바탕으로 면역항암제 효능 검증을 위한 스크리닝 플랫폼 개발을 진행하고 있다. 자동화 장비를 이용한 초고속 대량 약물 스크리닝 시스템도 구축했다. 

이는 동물실험을 대체하거나 병행하는 방식으로 정확한 약효 평가를 가능하게 한다. 특히 신약개발에 드는 R&D 비용을 낮추는 데도 기여한다.

면역항암제 스크리닝 플랫폼은 암환자의 조직으로부터 유래한 오가노이드와 동일 환자의 암 조직 혹은 혈액에서 분리한 면역세포를 함께 배양하는 공배양 시스템이 바탕이다.

면역항암제 스크리닝 플랫폼은 면역항암제 효능평가가 가능하며, 특정 마커의 발현 및 라이브 이미지를 통해 암 오가노이드의 사멸과정을 확인할 수 있다. 

즉, 환자 개인에게 맞는 효과적인 항암제를 찾는 정밀의료에 활용 가능하며, 암환자가 적절한 항암제를 찾는 과정에서 걸리는 시간과 비용을 크게 줄일 수 있는 강점이 있다.

실제 그래디언트 바이오컨버전스 암 유래 오가노이드 모델은 암환자의 임상적 특성을 동일하게 표현했다. 1세대 EGFR TKI(티로신 키나제 억제제)인 게피티닙(Gefitinib)에 저항성이 생긴 비소세포폐암 환자 유래 오가노이드는 환자와 동일하게 게피티닙에 대한 저항성을 보였다. 여기에 게피티닙 저항성을 극복할 수 있는 2차 치료제 오시머티닙(Osimertinib) 처리 시, 다시 항종양 효과가 나타났다. 이는 비소세포폐암 환자에게서 통상적으로 발생하는 돌연변이를 정확히 나타낸 결과며, 이를 활용하면 부작용이 발생할 수 있는 항암제를 환자에게 직접 투여하기 전, 환자에게 알맞은 항암제를 찾을 수 있다.

이 대표는 “오가노이드는 환자의 임상적 특성이 굉장히 잘 유지되는 특징으로, 비임상시험 단계에서도 임상시험을 하는 것과 매우 유사한 데이터를 무한정으로 얻을 수 있는 것이 최대 강점”이라면서 "그래디언트 바이오컨버전스가 가진 기술력은 국내외 기업들이 더 많은 Best-in-Class(계열 내 최고) 항암제를 개발할 수 있도록 돕고, 나아가 First-in-Class(계열 내 최초) 항암제를 개발하는 데도 큰 시너지가 될 것”이라고 강조했다.

역분화줄기세포(iPSCs) 오가노이드 기반 맞춤형 연구 플랫폼

그래디언트 바이오컨버전스는 환자의 병변 조직을 활용할 수 없거나, 기존 동물모델 시험에 한계가 있는 질환의 연구를 위해 역분화줄기세포 유래 오가노이드 맞춤형 연구 플랫폼을 제공한다. 현재까지 알츠하이머병, 파킨슨병 등의 퇴행성 뇌 질환 연구를 위한 뇌 오가노이드 평가 플랫폼과 희귀유전질환, 미토콘드리아 질환 등에 관한 맞춤형 연구 플랫폼을 구축했다.

뇌, 심장과 같은 중요 신체 기관은 환자의 병변으로부터 조직을 얻기 어렵고, 동물모델은 인체와는 유전적, 표현형적 차이가 존재해 실제 임상 결과와 현저한 차이가 발생한다. 이에 그래디언트 바이오컨버전스는 환자의 혈액 또는 체세포로부터 iPSC를 유도해 질환 오가노이드 모델을 수립하고, 이를 이용해 약효평가를 진행할 수 있는 플랫폼을 구현했다. 해당 플랫폼은 환자의 혈액이나 체세포를 구하기 어려운 경우, 정상 iPSC에 유전자 조작을 통해 질환 감수성 iPSC를 수립할 수 있는 기술도 포함돼 있다.

K-컬처, K-팝, K-뷰티, K-푸드…, 이제는 K-바이오다. 70년의 역사를 가진 약업신문은 한국 제약바이오헬스케어의 무한한 가능성(Unlimited Possibilities)을 샅샅이 살펴보는 [레츠고 U.P] 기획시리즈를 시작한다. 전문기자가 현장 취재를 통해 산업의 최신 동향과 기업의 숨겨진 가치, 미래를 선도할 유망 기술을 심도 있게 보도할 계획이다.