오늘날의 의학 연구자들은 첨단 모델 링과 시뮬레이션 기술을 이용해 심 장과 뇌 같은 가장 복잡한 인간 시 스템까지도 "컴퓨터로" 모델링 할 수 있다. 수학적 알고리즘, 환자 데이터, 시뮬레이션 기반 예측 컴퓨터 기술을 활용하는 연구자 들은 가장 복잡한 인간의 장기와 시스템의 하위 시스템을 시뮬레이션하고 예측하며 이 해할 수 있고, 이를 통해 개선된 치료법을 개발할 수 있는 기회가 열리고 있다.
복잡성 해결
미국 캘리포니아 대학교 의과대학의 교수 겸 흉부외과 연구자로 활동하고 있는 줄리 어스 구시온(Julius Guccione) 박사는 이러 한 진전에 대해 놀라움을 표한다. 인간 신체 시스템의 대부분은 너무 복잡해서 모델링할 수 없다고 믿어왔기 때문이다. 무릎 및 골반 치환술 같은 정형외과 치료에서 시뮬레이션 및 생물역학이 광범위하게 활용되어왔다고 는 하지만, 뼈는 제조업체가 설계하는 기계 구조와 유사한 구조적 요소를 갖추고 있다. 구시온 박사는 인간의 장기는 전혀 다른 도 전 과제라고 생각해 왔다.
그는 "모델링과 시뮬레이션은 자동차와 비행 기 설계에서 성공적으로 활용되어 왔다"고 설명했다. "하지만 의료계 사람 대부분은 그 어떤 공학적 구조물과도 비교가 안될 만큼 복잡한 것이 심장이라고 생각해왔습니다. 그 런데 다른 산업에서 활용되는 복잡한 수학 적 모델을 직접 눈으로 보고 나서는 제 생각 이 달라졌습니다. 모델이 보여주는 세부적인 내용과 규모, 그리고 컴퓨터로 계산하는 시 간은 아주 인상적이었습니다."
“ 이처럼 아주 특별한 물성을 구체화한다는 것은 쉬운 일이 아닙니다.”
줄리어스 구시온 박사
캘리포니아 대학교 의과대학 교수 겸 흉부외과 연구원이 말하는 인간의 심장
구시온 박사는 심장 섬유는 심장 주기를 통 해 최소 20%의 팽창과 수축을 거치는 극단 적인 변형을 겪는다고 말한다. "변형을 거의 감지할 수 없는 인간의 뼈를 모델링하는 일 에 비하면 훨씬 비선형적인 문제입니다. 이 처럼 아주 특별한 물성(物性)을 구체화한다는 것은 쉬운 일이 아닙니다."
그러나 현재 구시온 박사와 그의 동료들은 수학적 모델링과 시뮬레이션 기술을 활용하 여 심부전이 일어나는 동안 인간의 심장을 강화하고 안정화하기 위해 바이오폴리머 젤 을 주입하는 시술의 안전성과 효능에 대해 시험하고 있다. 이와 같은 기술을 활용하여 개별 환자의 심장이 작동하는 메커니즘을 이해함으로써 연구자들은 주입할 젤의 양을 환자별로 조절할 수 있고 또한 개별 환자에 게 가장 유효한 효과를 보이는 위치를 확인 할 수 있다.
신뢰성 확보
인간 모델링과 시뮬레이션 기술의 활용에 있어 또 다른 시급한 해결 과제는 규제 승인 문제다. 의료 기기 산업을 위한 첨단 규제 과학을 목표로 하는 민관 협력기관인 의료 기기 혁신 컨소시움(MDIC)의 모델링 및 시 뮬레이션 프로그램 선임 매니저 던 바르도 (Dawn Bardot)는 의료 기기 제조업체들이 모델링과 시뮬레이션 기법을 광범위하게 활 용하여 경쟁력 있는 설계를 찾아내고 현장 에서 나타나는 오류를 검토한다고 말했다. 그러나 의료 기기 제조업체들은 규제 기관 이 요구하는 안전성과 효능을 결정하는 신 뢰성을 아직 확보하지는 못했다.
의료기기 혁신 컨소시움에 따르면 규제적 수준에 이를 수 있는 모델과 시뮬레이션 기 술을 개발하려면 물성, 인간 해부학, 생리학 적 조건, 질병 상태와 같은 복잡한 내용을 제대로 이해할 수 있는 새로운 접근 방식과 협업적 노력이 필요하다. 이와 함께 구시온 박사 팀과 같은 연구자들은 시스템 수준의 모델 개발에 초점을 맞추고 있다.
던 바르도는 "해부학적, 생리학적 또는 물성 측면에서 인간 신체의 가변성에 대해 아직 은 정확하게 알지 못한다"고 털어놓았다. "그 러나 시스템 수준의 모델과 시뮬레이션을 통해 우리 인간에 대해 무언가를 증명하기 위해 시도하는 탁상 실험을 벗어날 수 있게 되었습니다. 동물 실험도 할 필요가 없어졌 고 임상 실험과 여기에 참여하는 환자의 수 도 줄었지요."
초기에 기대되는 가능성
미국 매사추세츠주에 위치한 DI C 헬스 인사 이트의 연구 책임자 앨런 루이( Alan Louie) 박사는 줄리어스 구시온 박사와 그의 동료들 같은 연구자들이야말로 복잡한 인간 신체 시 스템을 연결하고 촉진하는 생물학적 경로와 시스템에 대해 제대로 이해하기 위해 정말로 애쓰는 사람들이라고 말했다. "우리는 인간 신 체의 서로 다른 생물학적 경로, 시스템, 장기 의 상호작용을 아주 초보적인 수준에서 이해 하는 단계에 있습니다. 그리고 이러한 것들은 뼈나 골격근 같은 신체 시스템과는 사뭇 다릅 니다. 하지만 이제 우리는 이러한 모델 몇 가 지를 시뮬레이션할 수 있게 되었습니다.
그러나 이에 대한 연구는 여전히 개발 초기 단계에 머물러 있다. 루이 박사는 "모델을 컴 퓨터 기반 시스템으로 전환하는 일은 대부분 '선형적' 사고방식"이라고 지적했다. "그렇지만 이처럼 복잡한 시스템 중 일부는 선형적 사 고방식으로는 설명될 수 없습니다. 올바른 조각을 끼워 맞추는 능력이 그렇게 쉽게 생 기는 것은 아닙니다."
그는 이러한 영역에서 상당한 가치를 보여줄 수 있는 새로운 도구들이 많이 등장하고 있 다고 말했다.. 잘 알려진 사례 가운데 하나로 는 왓슨(Watson)이 있다. 이것은 미국의 퀴 즈쇼 "제퍼디(Jeopardy)"에서 인간 경쟁자를 물리친 일로 유명세를 탄 I BM 슈퍼컴퓨터이 다. 루이 박사는 "의사결정을 해야 하는 시점 이 되면 왓슨은 저장되어 있는 정보를 꺼내 활용 가능한 데이터 세트 위에 포개 놓는다" 고 설명했다.
전자 방식으로 보관되어 있는 의료 기록, 유 전자 정보, 인간의 생물학적 데이터, 의약품 의 효과를 비교한 소셜 미디어의 구체적인 내용, 다양한 경로에서 수집한 의료 관련 자 료를 비롯한 건강 데이터를 연구원들이 서로 포개놓을 수 있도록 왓슨이 도움을 준다. 이 후 왓슨은 공통적인 부분을 확인하는 시스템 을 통해 이러한 입력 정보들을 걸러낸다.
루이 박사는 "인간 시스템에 대한 시뮬레이 션도 조만간 가능해질 것"이라고 확신하고 있다. 인간 시스템에 대한 시뮬레이션은 종 류도 다양하고 여기저기 흩어져 있는 방대한 양의 데이터를 연결하는 시스템, 비선형적 사고방식을 수용하는 시스템, 그리고 아무리 복잡해도 정확하게 포착하는 시스템에 의존 하지만, 이러한 상호작용을 시각화하는 능력 이 매우 뛰어나므로 엄청난 역할을 할 것입 니다.”
