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사람 간 약효차, 수학적 모델로 밝혀냈다

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사람 간 약효차, 수학적 모델로 밝혀냈다

2019.07.09 18:51
김재경 KAIST 수리과학과 교수와 김대욱 박사과정생은 수학적 모델을 기반으로 동물 실험과 임상시험 간 차이가 나는 원인을 밝혔다. KAIST 제공
김재경 KAIST 수리과학과 교수와 김대욱 박사과정생은 수학적 모델을 기반으로 동물 실험과 임상시험 간 차이가 나는 원인을 밝혔다. KAIST 제공

국내 연구팀이 같은 약을 먹어도 사람과 동물 혹은 사람과 사람 사이에 약효가 차이나는 원인을 수학적 계산을 통해 밝혀냈다. 이를 토대로 최적의 투약 시간을 찾는 시간요법도 제시했다.

 

김재경 KAIST 수리과학과 교수와 다국적 제약회사 화이자의 장 청 연구원 공동연구팀은 수학적 모델을 기반으로 동물 실험과 임상 시험 간 차이가 나는 원인을 밝히고 해결책을 제시한 연구결과를 이달 8일 국제학술지 ‘분자시스템 생물학’에 발표했다. 연구는 학술지의 7월호 표지논문으로 선정됐다.

 

신약을 개발하는 과정에는 임상 시험 전에 쥐 등의 동물을 대상으로 약효를 실험하는 전임상 실험이 있다. 하지만 이후 임상 과정에서 동물에서 보였던 효과가 사람에게 나타나지 않을 때가 있다. 수면 장애 치료제 연구가 한 예다. 쥐가 야행성 동물이다 보니 수면시간을 조절하는 치료제가 쥐에게 효과가 있어도 야행성이 아닌 사람에게는 효과가 없는 경우가 많다.

 

연구팀은 생체시계를 구성하는 분자와 약물 분자의 상호작용을 묘사하는 미분방정식을 활용해 가상실험을 설계했다. 이 결과를 실제 실험을 결합해 분석한 결과 사람이 쥐보다 빛에 더 많이 노출되는 것이 약효가 반감되는 원인임을 밝혀냈다.

 

신약 개발의 또 다른 난제는 약효가 사람마다 다른 것이다. 연구팀은 이 문제도 수리 모델링을 통해 풀어냈다. 증상이 비슷해도 환자마다 약효가 다른 원인을 밝히기 위해 수리 모델링으로 가상환자를 설정했다. 이를 통해 수면장애 치료제의 약효가 달라지는 원인은 수면시간을 결정하는 핵심 생체시계 단백질인 ‘PER2’의 발현량이 개인마다 다르기 때문임을 알아냈다.

 

연구팀은 단백질의 양을 측정해 최적의 투약 시간을 찾는 치료요법도 개발했다. 사람은 PER2의 양이 낮에는 증가하고 밤에는 감소하는 등 자주 바뀐다. 이때 단백질의 농도에 맞춰 최적의 투약 시기를 정하면 약효가 극대화된다. 연구팀은 이를 활용해 웨어러블 디바이스 등으로 환자마다 적절한 투약 시간을 찾아 최적의 치료 효과를 내는 시간요법을 개발했다.

 

김 교수는 “수학이 실제 의약학 분야에 이바지해 좀 더 건강하고 행복한 삶을 살 수 있는데 도울 수 있어 행복한 연구였다”며 “이번 성과를 통해 한국에선 아직 부족한 의약학과 수학 교류가 활발하기를 기대한다”고 말했다.

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