[전문가 기고]천연물 신약 개발에 수학 모델링이 결합된다면

미국 질병관리본부는 감염병 수학 모델을 이용, 확진자와 사망자 수를 예측하고 대응 정책을 수립하려는 시도를 하고 있다. 영국은 영국의회포스트에 코로나19에 대한 여러 수학 모델 예측 결과를 공유하고 가상 방역 시뮬레이션 기반 감염병 대응 정책을 시행하고 있다.

우리나라 질병관리청 역시 수학 모델링의 필요성을 인식, 감염병 모델 연구를 수행해 왔다. 여러 수학자로 구성한 수학 모델링 팀은 바이러스 확산 및 대응 정책 연구를 바탕으로 효과 높은 방역 대응책을 제시하고 있다.

컴퓨터 장비와 수치 기법 발달에 따라 수학 모델링은 감염병뿐만 아니라 다양한 생물학 난제 극복을 위해 활용되고 있다. 대표 사례로 종양의 복잡한 진화 과정 연구나 항암제 내성 극복 연구에도 다양한 수학 모델이 개발돼 왔다.

종양의 증식·전이 과정에서 이뤄지는 생화학 반응은 워낙 복잡해 실험실에서 구현하기에 한계가 있다. 이처럼 복잡한 종양 시스템을 이해하기 위해 다양한 수학 모델이 개발됐다.

수학 모델링은 임상에도 적용된다. 미국의 리 모핏 암센터 연구소 및 메이오 클리닉에서도 수학자가 환자 데이터를 바탕으로 수학 모델을 개발, 환자 맞춤형 치료 전략을 수립하고 임상시험에 적용하고 있다.

실제로 리 모핏 암센터 연구소에서는 수학 모델 기반의 전립샘 암 환자 맞춤 치료 전략이 기존 치료법 대비 재발을 평균 10개월 늦춘다는 연구 결과를 도출했다.

천연물 연구에서도 수학 모델링 역할이 기대된다. 오늘날 우리가 사용하고 있는 많은 약물은 천연물에서 유래됐다. 미국·독일·중국·일본 등 나라에서는 천연물 효용 가치를 인지하고 다양한 천연물 확보에 주력하고 있으며, 이로부터 새로운 의약품 후보 물질을 생산하는 정책을 체계화해서 펼치고 있다.

미국은 여러 종의 천연물 기반 항암제와 후천성면역결핍증(AIDS, 에이즈) 치료 후보 화합물을 찾아냈고, 브라질산 뱀독 성분으로부터 고혈압 치료제를 개발했다. 독일은 버드나무에서 추출한 선도 화합물로 아스피린을 개발했고, 은행잎으로부터 혈액순환장애 치료제를 개발했다. 중국은 개똥쑥으로 말라리아 치료제를 개발했고, 팔각회향에서 신종플루 치료제를 개발했다. 국내 제약사도 여러 종의 천연물로부터 만성 난치성 질환 치료제를 개발, 국내 판매를 하고 있는 한편 글로벌 진출에 속도를 내고 있다.

신약 개발에서 천연물의 문제점은 효능 검증과 작용 원리 규명이 어렵고, 표준화를 위한 고도의 기술이 요구된다는 것이다. 이 같은 문제점을 극복하기 위한 시도에 수학 모델링이 활용되고 있다. 수학 모델링은 신약 개발 현장에서 많이 활용된다. 글로벌 제약회사 화이자, 머크 등은 전 주기를 지원하는 모델을 개발하고 신약 개발을 지원하고 있다.

국내 천연물 활용 신약 개발 과정에도 수학 모델링을 적극 활용하려는 시도가 진행되고 있다.

한국과학기술연구원(KIST) 강릉분원 천연물연구소는 천연물 기반의 약물 후보 물질 개발 프로세스를 가속화하기 위해 새로운 인공지능(AI) 모델과 수학 모델 관련 인프라 및 전문 인력을 갖추고 원천기술 연구를 활발히 수행하고 있다. 수학 모델을 활용하면 동시에 다수 물질에 대한 분석을 고속으로 수행, 신약 개발에 중요한 역할을 하는 고속의 대량 스크리닝 기술과 분리 기술을 응용·적용할 수 있다. 천연물의 화학 구조 특성과 약리·독성학 기능에 대한 양질의 천연물 데이터를 축적하고 표준화하는 것이 가능해진다.

천연물의 세포, 동물 모델, 환자에서 효능과 작용 원리를 규명하기 위한 수학 모델링과 세포 및 동물 실험 결과를 융합하는 연구 인프라 확충이 시급하다. 천연물 효능과 작용 원리를 예측하고 실제 진행될 다양한 실험에 대한 가이드라인을 제시해야 한다. 동물 모델 실험을 위한 용량이나 투여 시간 등을 미리 시뮬레이션, 동물 모델 실험 효율성을 향상시키는데 기여할 수 있다.

수학 모델링을 활용한 천연물 신약 개발 연구는 천연물 데이터를 표준화하고 신약 개발 과정을 효과 높게 이끌 수 있다. 이는 곧 천연물 신약 개발의 성공 확률을 높이는 결과로 이어진다. 천연물 의약품 후보 물질 연구와 개발 지능화를 위해 수학 모델링, AI 모델링 기반 융합 연구가 활발히 진행되면 천연물 신약 후보 물질 개발의 고도화를 이끌 수 있을 것으로 기대된다.

김은정 KIST 천연물인포매틱스연구센터 선임연구원 eunjung.kim@kist.re.kr