환자 암조직을 이식한 동물모델과 환자 유래 오가노이드의 항암치료 반응 일치율은 각각 71%, 69% 수준으로, 두 모델 간 통계적으로 유의한 차이가 없었다. 동물실험 대체기술의 가능성을 보여준 연구 결과 중 하나다.

동물실험 대체기술의 기준이 실제 환자의 약물 반응을 얼마나 정확하게 예측하느냐로 옮겨가고 있다. 오가노이드와 생체장기칩, 인공지능(AI)을 활용한 비임상 평가기술이 발전하면서 인체의 생리적 환경을 재현하고, 임상 결과와의 일치율을 높이는 것이 중요해졌다. 이를 규제 심사에 활용하기 위한 검증체계 구축도 주요 과제로 떠올랐다.

코아스템켐온은 5일 경기도 용인시 양지연구소에서 '2026 코아스템켐온 첨단시험센터 심포지엄'을 개최했다. '오가노이드에서 AI까지, 인체 관련성을 높인 새로운 접근 방법론의 연구개발과 규제과학(From Organoids to AI)'을 주제로 최신 비임상 평가기술과 글로벌 규제 동향, 임상 적용 전략을 논의했다.

코아스템켐온은 줄기세포치료제 신약 연구개발과 비임상시험수탁(CRO) 사업을 운영하는 기업이다. 독성·유효성 평가와 약물·독성동태학 분석 등 기존 비임상시험 역량을 바탕으로 오가노이드와 미세생리시스템(MPS) 평가기술을 개발하고 있다. 현재 장 오가노이드를 활용한 염증성장질환(IBD) 약효평가 서비스도 제공하고 있다.

올해에는 식품의약품안전처가 주관하는 ‘줄기세포 기반 배자발생 동물대체 독성시험법 개발 연구’ ‘항체의약품 면역독성 예측평가 기술 개발’ '독성평가용 오가노이드 플랫폼 개발을 위한 검증 연구' 등 관련 국책과제 3건을 확보했다. 회사 발표 기준 과제 규모는 총 48억원이다.

오가노이드 기반 간독성 평가에서는 간독성 물질 50종의 평가 데이터와 다기관 검증을 바탕으로 시험법의 신뢰성과 재현성을 확보할 계획이다. 나아가 경제협력개발기구(OECD) 국제 시험 가이드라인 제안도 추진한다. 개발한 기술을 실제 비임상시험과 규제 심사에 활용하는 것이 목표다.

송시환 코아스템켐온 비임상CRO사업부 사장은 “동물대체시험은 단순히 실험동물 사용을 줄이는 것이 아니라 기존 동물모델의 한계를 극복하고 인체의 약물 반응과 독성을 더 정확하게 예측하기 위한 중요한 기술”이라며 “오가노이드와 장기칩의 신뢰성과 재현성을 확보해 신약개발과 규제 심사에 활용한다면 임상 실패 위험을 줄이고 환자 안전성을 높이는 데 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.

동물대체시험 시장은 빠른 성장세를 보이고 있다. 글로벌 시장조사기관 더비즈니스리서치컴퍼니(The Business Research Company)가 지난 9월 발표한 '2026년 동물대체시험 시장 보고서(Non-Animal Alternatives Testing Market Report 2026)'에 따르면, 세계 동물대체시험 시장은 2026년 29억 달러(약 3조9300억원)에서 2030년 44억3000만 달러(약 6조원)로 연평균 11.2% 성장할 전망이다.

행사는 '오가노이드의 최신 연구 동향'과 'NAMs에서 AI의 역할과 글로벌 규제 동향' 등 두 세션으로 진행됐다. 대식세포를 포함한 폐 오가노이드와 간·피부 오가노이드, 3차원 스페로이드 기반 질환모델 및 약물평가, AI 에이전트 기반 바이오 연구개발 등을 다뤘다.

두 번째 세션에서는 AITOX 박영철 대표가 'NAMs의 글로벌 규제 동향과 임상 적용을 위한 격차 해소의 이유 및 방법'을 발표했다. 박 대표는 동물모델과 인간 사이의 데이터 차이를 줄이기 위한 비임상 전략과 규제 과제를 짚었다.

박 대표는 “NAMs을 단순히 동물대체시험법이라고 부르는 것은 적절하지 않다”며 “동물을 사용하지 않는 것이 목적이 아니라 사람에게서 더 정확한 예측 결과를 얻는 것이 중요하며, 그런 의미에서 '인체 기반 시험법'이라는 표현이 더 적합하다고 생각한다”고 말했다.

새로운 접근 방법론(New Approach Methodologies, NAMs)은 오가노이드, 장기칩, 컴퓨터 기반 예측모델 등으로 기존 동물시험을 보완하거나 일부 대체하는 평가 접근법이다. 박 대표가 제안한 '인체 기반 시험법'은 공식 번역어가 아니라 인체 예측력을 강조한 표현이다.

환자·모델 411쌍 비교…오가노이드·동물모델 모두 약 70% 일치

박 대표는 NAMs 도입의 주요 배경으로 동물실험 결과와 실제 환자의 약물 반응이 일치하지 않는 '데이터 격차(Data Gap)'를 지목했다. 동물과 인간의 유전적·면역학적 차이, 질환모델의 한계, 환자 집단의 이질성이 주요 원인이다.

그는 “신약개발 실패의 중요한 원인은 인간 질환의 발생 기전에 대한 이해 부족과 환자 집단의 이질성”이라며 “동물에서 사람으로 연구 결과를 외삽하는 과정의 정확도를 높여야 한다”고 강조했다.

근거로는 2026년 국제학술지 암 치료 리뷰(Cancer Treatment Reviews)에 발표된 '항암치료 반응 예측을 위한 환자 유래 오가노이드와 환자 유래 이종이식 모델의 비교 분석(Comparative analysis of patient-derived organoids and patient-derived xenografts as avatar models for predicting response to anti-cancer therapy)' 연구를 제시했다.

연구진은 기존 논문 73편에서 환자와 해당 환자 유래 모델의 항암치료 반응을 비교한 데이터 411쌍을 분석했다. 이 가운데 267쌍은 환자 종양을 면역결핍 마우스에 이식한 환자 유래 이종이식 모델(PDX)이었다. 나머지 144쌍은 환자의 종양세포를 3차원으로 배양한 환자 유래 오가노이드(PDO)였다.

실제 환자와 모델의 항암치료 반응 일치율은 전체 70%였다. PDX는 71%, PDO는 69%로 두 모델 간 통계적으로 유의한 차이는 없었다. PDO에서 치료 반응이 나타난 경우 실제 환자의 무진행생존기간(PFS)이 더 길게 나타나는 연관성도 관찰됐다.

박 대표는 “오가노이드가 실제 환자의 치료 반응과 약 70%의 일치율을 보였다는 점은 의미가 크다”며 “앞으로 병원과 비임상시험기관이 협력해 환자 조직을 기반으로 약물 반응을 예측하는 '환자 맞춤 비임상 연구'가 중요해질 것”이라고 말했다.

다만 이번 결과는 기존 연구를 종합한 체계적 문헌고찰·메타분석이다. 모든 암종과 치료제에서 같은 예측력을 기대할 수 있다는 의미는 아니다. 실제 환자의 치료제 선택에 활용하려면 전향적 임상연구와 모델 표준화, 재현성 검증이 필요하다.

FDA·EMA, 동물실험 축소 추진…NAMs 규제 활용은 '사용 맥락'이 핵심

미국과 유럽은 동물실험을 줄이는 동시에 NAMs을 규제 심사에 활용하기 위한 검증체계를 마련하고 있다. 새로운 시험법이 어떤 목적으로 쓰이고, 그 결과를 어디까지 신뢰할 수 있는지가 핵심이다.

미국 FDA는 2025년 동물실험 감축 로드맵을 발표한 데 이어 올해 3월 NAMs의 검증과 활용을 위한 일반 고려사항을 담은 가이드라인 초안을 공개했다. 유럽 EMA도 올해 9월 오가노이드·미세생리시스템 등의 평가 데이터를 제출하고 규제기관의 의견을 받을 수 있는 자발적 데이터 제출(VDS) 시범사업을 시작했다.

박 대표는 FDA의 혁신 과학기술 기반 신약개발 도구 적격성 평가 프로그램인 'ISTAND(Innovative Science and Technology Approaches for New Drugs)'에 주목했다. 새로운 평가도구를 신약개발과 규제 심사에 활용할 수 있도록 과학적 타당성을 검증하는 제도다.

FDA의 2026년 7월 31일 기준 공개 집계에 따르면 ISTAND에서 개발 중인 도구는 27건이다. 의향서(LOI) 단계 24건, 적격성 평가계획(QP) 단계 3건이며 최종 적격성을 인정받은 도구는 아직 없다.

박 대표는 “앞으로 비임상에서 가장 중요한 개념은 사용 맥락(Context of Use)이 될 것”이라며 “어떤 독성을 평가하고 어떤 유효성을 확인할 것인지 목적을 명확히 설정한 뒤 해당 범위에서 과학적 타당성을 확보해야 한다”고 설명했다.

COU는 평가도구의 사용 대상과 목적, 조건을 뜻한다. ISTAND에서 적격성을 인정받으면 해당 사용 범위에서 여러 개발사가 도구를 활용할 수 있다. 다만 적격성 인정이 모든 의약품에 대한 포괄적 승인이나 임상시험계획 승인(IND)을 의미하지는 않는다.

박 대표는 국내에서도 NAMs의 활용 목적에 맞는 심사 기준과 과학적 평가역량을 강화해야 한다고 지적했다. 규제 혁신을 선언하는 데 그치지 않고 개발사가 실제 활용할 수 있는 검증·심사체계를 마련해야 한다는 주장이다.

장기칩·디지털 트윈 결합…임상 예측 데이터가 CRO 경쟁력 좌우

박 대표는 국내 비임상 CRO가 NAMs 기술 개발뿐 아니라 실제 신약개발에 활용할 평가체계를 갖춰야 한다고 강조했다. 오가노이드와 장기칩을 도입하더라도 환자의 반응을 정확히 예측하지 못하면 기존 동물모델의 한계를 반복할 수 있기 때문이다.

오가노이드는 장기의 3차원 구조와 일부 기능을 재현하지만 혈류와 산소 공급, 면역세포, 장기 간 대사 작용까지 모두 반영하기는 어렵다. 박 대표는 생체장기칩(Organ-on-a-Chip)으로 실제 조직의 미세환경을 구현하고, 시험 결과와 인체 반응의 차이를 줄이는 방안을 제안했다.

박 대표는 “NAMs과 실제 임상 사이에도 데이터 격차가 발생할 수밖에 없다”며 “장기칩에서 조직의 미세환경을 얼마나 정확하게 구현하느냐가 약물의 유효성과 독성 예측에서 중요하다”고 말했다.

장기칩에서 확보한 약물대사·독성 데이터를 디지털 트윈(Digital Twin)과 결합하는 전략도 제시했다. 디지털 트윈은 세포 수와 유속, 약물의 투과·대사 자료 등에 인체 생리학적 정보를 결합해 약물의 체내 이동과 혈중 노출량을 예측하는 계산모델이다.

박 대표는 혈중농도-시간 곡선하면적(AUC)을 사례로 들며 장기칩에 디지털 트윈을 결합하면 임상 약동학(PK) 데이터와의 차이를 줄일 수 있다고 설명했다. 다만 예측 성능을 확인하려면 독립적인 임상 데이터와 비교 검증해야 한다.

독성평가에서는 글루타치온(GSH)을 활용한 반응성 대사체 분석을 제안했다. 글루타치온은 약물 대사 과정에서 생성되는 반응성 물질과 결합할 수 있는 체내 항산화 물질이다. 간 장기칩과 결합하면 후보물질의 대사성 독성 위험을 탐색하고 초기 신약 후보물질을 선별하는 데 활용할 수 있다.

이러한 접근은 코아스템켐온이 추진하는 오가노이드 기반 간독성 평가기술과도 맞닿아 있다. 후보물질의 독성 데이터 확보에 그치지 않고 인체 반응과의 연관성, 다기관 재현성, 규제 수용성까지 검증해야 비임상 서비스로 활용할 수 있다.

박 대표는 “NAMs 기술을 개발하는 것만으로 끝나서는 안 된다”며 “인체와의 데이터 격차를 줄일 수 있는 평가 지표와 도구를 확보하고, 실제 신약개발과 규제 심사에 연결할 수 있는 방향을 찾아야 한다”고 강조했다.