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약물 가상 스크리닝 기술로 코로나19 치료제 후보 발굴
우리 대학 생명화학공학과 이상엽 특훈교수(연구부총장)와 한국파스퇴르연구소 김승택 박사 공동연구팀이 ‘약물 가상 스크리닝 기술을 이용한 코로나19 치료제 개발’에 성공했다고 8일 밝혔다.
이번 연구 결과는 국제 학술지인 ‘미국국립과학원회보(PNAS)'에 7월 7일 字 온라인 게재됐다.
※ 논문명 : Drugs repurposed for COVID-19 by virtual screening of 6,218 drugs and cell-based assay
※ 저자 정보 : 이상엽(한국과학기술원, 교신저자), 김승택(한국파스퇴르연구소, 교신저자), 장우대(한국과학기술원, 제1저자), 전상은(한국파스퇴르연구소, 제2저자), 포함 총 4명
코로나바이러스감염증-19(이하 코로나19)는 글로벌 팬데믹으로 전개되고 있으며 현재 인류 보건을 심각하게 위협하는 상황이다. 코로나19 치료 목적으로 미국식품의약국(FDA)에서 정식 승인을 받은 렘데시비르(상품명 베클러리)가 현재 임상에서 사용 중이지만, 사망률은 감소시키지 못하고 회복 기간을 5일 정도 단축함으로써 치료 효과가 기대에 미치지 못하는 것으로 알려졌다. 또한 렘데시비르는 정맥 주사제여서 의료기관에서 입원을 통해 수일 동안 투여받아야 하므로 팬데믹 상황에 적합하지 않은 약물이다. 따라서 코로나19로 인한 사망률을 획기적으로 감소시키고, 치료 기간을 단축시키는 경구용 치료제 개발이 시급한 상황이었다.
이에 이상엽 특훈교수와 한국파스퇴르연구소 김승택 박사 공동연구팀은 약물 가상 스크리닝 기술을 이용한 약물 재창출 전략으로 코로나19 치료제 개발 연구를 수행했다.
연구팀은 팬데믹 상황에 대응한 신속한 치료제 개발을 위해 가상 스크리닝 기술을 이용한 약물 재창출 전략을 수립했다. 약물 재창출은 이미 안전성이 검증된 FDA 승인 약물 또는 임상 진행 중인 약물을 대상으로 새로운 적응증을 찾는 방식이다. 이 전략은 신약 개발 과정에 소요되는 시간을 단축시킬 수 있어 코로나19와 같은 팬데믹 상황에 적합한 신약 개발 전략이다.
우리 대학 생명화학공학과 장우대 박사는 우선 FDA 승인 약물 또는 임상 진행 중인 약물을 데이터베이스에서 수집해 6,218종의 약물 가상 라이브러리를 구축했다. 실험으로 이 약물들을 모두 검증하기에는 시간과 비용이 많이 소요되기 때문에 바이러스 치료제로 가능성이 있는 약물만 신속하게 선별할 수 있는 컴퓨터 기반 가상 스크리닝 기술을 도입했다.
기존의 도킹 시뮬레이션 기반의 가상 스크리닝 기술은 높은 위양성률(false positive rate)로 인해 유효물질 도출 비율(hit rate)이 매우 낮은 것이 문제점인 상황이었다. 연구팀은 구조 유사도 분석 모듈과 상호작용 유사도 분석 모듈을 도킹 전후에 도입하여 가상 스크리닝의 정확도를 높이는 데 성공했다. 이번 연구를 통해 개발된 가상 스크리닝 기술은 단백질-약물 복합체 구조 정보를 이용하여 다양한 후보 약물을 빠르고 정확하게 스크리닝할 수 있는 것이 특징이다.
연구팀은 또한 바이러스 치료제로 주로 사용되는 핵산 유사체(nucleotide analogues) 기반 전구약물(prodrug)의 활성형 구조를 자동으로 생성하는 알고리즘을 개발했다. 전구약물은 그 자체로는 약효가 없고 체내 대사를 통해 활성형 구조로 변환되어야만 약효를 나타낸다. 따라서 전구약물은 활성형으로 구조변환 후, 도킹 시뮬레이션을 수행하는 것이 중요하다. 연구팀은 렘데시비르를 포함한 여러 핵산유사체 기반 전구약물들의 활성형 구조를 자동으로 생성하는 데 성공하였고, 도킹 시뮬레이션의 정확도를 향상시킬 수 있었다.
연구팀은 가상 스크리닝 플랫폼으로 사스-코로나바이러스-2(SARS-CoV-2)의 복제와 증식에 필수적인 역할을 하는 단백질 가수분해 효소(3CL hydrolase, Mpro)와 RNA 중합효소(RNA-dependent RNA polymerase, RdRp)를 저해할 수 있는 후보 화합물을 15종과 23종으로 각각 선별했다.
그 후, 가상 스크리닝으로 선별된 38종의 약물에 대해 한국파스퇴르연구소의 생물안전 3등급(BSL-3) 실험실에서 세포 이미지 기반 항바이러스 활성 분석 플랫폼을 활용해 약효를 검증했다.
먼저 사스-코로나바이러스-2를 감염시킨 원숭이 신장세포(Vero cell)를 이용한 시험관 내(in vitro) 실험을 수행한 결과, 38종의 약물 중 7종의 약물에서 항바이러스 활성이 확인됐다.
또한, 검증된 7종의 약물에 대해 인간 폐 세포(Calu-3 cell)에서 추가적인 검증 실험을 수행했고, 3종의 약물에서 항바이러스 활성이 확인됐다. 후보 약물에는 암 및 특발성 폐섬유증(idiopathic pulmonary fibrosis)으로 임상이 진행 중인 오미팔리십(omipalisib), 암 및 조로증(progeria)으로 임상이 진행 중인 티피파닙(tipifarnib), 식물 추출물로써 항암제로 임상이 진행 중인 에모딘(emodin)이 있다. 특히 오미팔리십은 현재 코로나19 표준 치료제인 렘데시비르 대비 항바이러스 활성이 약 200배 이상 높은 것으로 확인됐고, 티피파닙은 렘데시비르와 유사한 수준으로 항바이러스 활성이 확인됐다.
세포 수준에서 항바이러스 효과가 확인된 약물은 바이러스 감염 동물모델을 이용한 전임상시험이 필요하다. 이에 연구팀은 과기정통부의 코로나 치료제 전임상 지원사업을 통해 후보 약물 중 하나의 약물에 대해 약효를 평가했다. 그러나 이 과정에서 동물에 대한 약물 독성이 나타났다. 약물의 독성을 최소화하면서 치료 유효 농도에 도달할 수 있는 최적의 약물 농도를 찾기 위해 추가적인 전임상시험을 진행할 예정이다. 또한, 나머지 후보 약물들에 대해서도 전임상시험을 계획 중이다.
연구팀 관계자는 이번 연구를 통해 예측 성능이 우수한 약물 가상 스크리닝 플랫폼을 구축했고, 이를 통해 코로나19 치료제로 유망한 후보물질을 단기간에 발견할 수 있었다고 설명했다.
이상엽 특훈교수는 “이번 연구를 통해 신종 바이러스 출현 시 신속하게 대응할 수 있는 기반 기술을 마련했다는 데에 의의가 있으며, 이를 통해 향후 코로나바이러스 계열의 유사한 바이러스나 신종 바이러스 출현 시에도 적용할 수 있는 기술을 개발하고자 한다”라고 밝혔다.
한편 이번 연구는 과기정통부가 지원하는 KAIST 코로나대응 과학기술 뉴딜사업과 바이오·의료기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.
2021.07.08 조회수 6588 -
개교 50주년 기념 국제 학생 콘퍼런스 개최
우리 대학이 개교 50주년을 맞아 학부생이 주도하는 국제 학생 콘퍼런스를 3일(수)부터 5일간 개최한다.
ʻ선구자 2071: 향후 50년을 묻는다(Pioneers 2071: Questioning the Next 50 Years)ʼ를 주제로 열리는 이번 콘퍼런스는 미래 사회의 핵심 구성원이 될 대학생들이 향후 발생할 수 있는 주요 글로벌 이슈를 탐색해 과학기술 및 사회 정책 등에 관한 혁신적인 아이디어를 겨루는 장이다.
이 콘퍼런스 진행을 위해 KAIST는 작년 12월부터 한 달간 신청을 받았는데 미국 · 이탈리아 · 인도네시아 · 일본 · 중국 · 터키 · 카자흐스탄 · 케냐 · 호주 등 전 세계 28개 대학 소속 107명의 학생이 총 19개의 팀으로 나눠 참가를 신청했다.
각 참가팀은 ʻ환경과 기후변화ʼ·ʻ새로운 팬데믹ʼ·ʻ인공지능 시대의 교육과 경제ʼ 등 주최 측이 가상으로 설정한 잠재적 위기에 관한 세 가지 시나리오 중 한 가지를 선택해 문제를 해결할 수 있는 혁신 아이디어 및 정책을 제시해야 한다.
행사 시작일인 3일부터 이틀간 준비한 정책 및 아이디어 발표 및 참가팀 간의 토론을 진행하며 교수진으로 구성된 심사위원단과의 질의응답 등도 이어진다. 이번 콘퍼런스에서는 사전에 온라인으로 등록한 약 1백 명의 투표인단도 행사를 돕기 위해 참여한다. 투표인단은 참가팀의 제출 자료 및 발표와 토론 영상을 참고해 가장 좋은 해결책을 제시한 팀에 투표한다.심사위원단의 평가와 투표단의 득표수를 합산해 각 시나리오별 상위 3개 팀이 결선에 진출하며, 2월 7일에 예정된 마지막 토론에서 최종 우승자가 가려진다. 대상 1팀에는 상금 3,000달러(한화 약 330만 원)가 수여되며, 금상 2개 팀과 은상 2개 팀에는 각각 2,000달러와 1,000달러의 상금이 주어진다.
이번 국제 학생 콘퍼런스는 개교 50주년을 기념하기 위해 학생들이 직접 주도하는 행사를 마련하자는 취지로 시작됐다. 33대 총학생회 플렉스(FLEX)를 중심으로 한 12명의 학부생이 지난해 3월부터 약 1년간 기획에서부터 실행에 이르는 주도적인 역할을 수행했다.
고경빈(KAIST 생명과학과 2학년) 학생은 "코로나19로 전 세계가 어려움을 겪는 중에도 열정적으로 참여한 세계 각국의 또래 세대와 함께 미래를 논의할 기회를 마련했다는 점에서 큰 보람을 느낀다ˮ고 말했다. 고경빈 학생은 이어 "이번 국제 학생 콘퍼런스를 통해 앞으로 우리 세대가 겪게 될 글로벌 이슈들을 주도적으로 고민하며 대처할 수 있는 계기가 마련되길 기대한다ˮ고 강조했다.한편, 전 과정이 영어로 진행되는 이번 행사는 유튜브(채널명: KAIST Pioneers 2071)를 통해 2월 3일 오전 8시부터 실시간 중계되며, 자세한 내용은 홈페이지 ( https://pioneers.kaist.ac.kr)를 통해 확인할 수 있다.
2021.02.02 조회수 71290 -
이의진 교수, G20 정상회의 주관 〈국제 디지털 헬스 정상회의〉 초청 강연 진행
우리 대학 산업및시스템공학과 이의진 교수가 오는 8월11일~12일 동안 열리는 G20정상회의 주관 사우디아라비아 국가방위부(Ministry of National Guard-Health Affairs) 주최로 진행되는 리야드 국제 디지털 헬스 정상회의(Giyadh Global Digital Health Summit)에서 '팬데믹 상황에서 시민들의 순응도 향상을 위한 넛지 기술'이라는 주제로 초청 강연을 진행한다.
리야드 국제 디지털 헬스 정상회의에서는 현재와 미래의 팬데믹(질병 대유행)에 관한 디지털 헬스의 중추적인 역할에 대해서 전 세계 헬스케어, 공중보건, 디지털 헬스의 산학연 리더들이 참여해 디지털 역학, 예측 모델, 공중보건 소통 및 정책, 디지털 공중보건, 웰니스, 원격의료, AI와 로봇 기술 등에 관한 발표 및 토의를 진행할 예정이다. 디지털 기술과 혁신을 기반으로 팬데믹에 강인한 글로벌 헬스케어 시스템 구축에 관한 초석을 확립하기 위한 ‘리야드 선언(Riyadh Declaration)’ 또한 선포될 예정이다. 6만 명 이상의 전 세계 전문가나 일반인들이 온라인으로 참여 등록을 하여 사상 최대 규모의 디지털 헬스 행사가 온라인에서 열리게 된다.
이의진 교수의 초청 강연은 8월12일(수) 한국시간 0시30분에 진행될 예정이며, 인간의 행동이 감염병 전파와 차단에 어떠한 역할을 하며, 인간의 사고 행동 모델과 넛지 기반 디지털 시스템 디자인, 위기상황에서의 의사소통과 상호작용을 위한 다양한 디지털 기술 기반 방법론 및 사례에 대한 논의와 함께 디지털 공중보건을 위한 넛지 기술적용에 대한 핵심 이슈를 다룰 예정이다. 강연은 리야드 국제 디지털 헬스 정상회의 홈페이지(https://rgdhs2020.com)를 통해서 무료로 실시간 중계될 예정이며 추후 유튜브 채널 등을 통해 일반에게 공개될 예정이다.
2020.08.11 조회수 17024