Life sciences

인간을 시뮬레이션하다: 현재와 미래의 규제 전략

Lisa Rivard
19 February 2014

복잡한 모델링과 시뮬레이션 소프트웨어를 이용하여 방대한 생물학적 데이터의 저장 내용을 분석하고 활용함으로써 인간 신체의 복잡한 시스템과 생리학적 상호작용에 대한 새로운 통찰력을 얻는 의학 연구자들이 늘어나고 있다. 뼈와 근육에 대한 모델링에서부터 인간의 심장과 뇌에 대한 시뮬레이션에 이르기까지 획기적인 새로운 치료법이 등장하고 있는 것이다.

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.”

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