▲(왼쪽부터) 연세대학교 세브란스 어린이병원 강훈철 교수, 김지훈 학생, 중앙대학교 나도균 교수

국내 연구진이 인공지능(AI)을 기반으로 희귀 난치성 소아 뇌전증* 환자의 줄기세포를 활용해 기존 치료제보다 최대 100배의 효과를 보이는 맞춤형 신약 후보 물질을 발굴하는데 성공해 주목을 받고 있다.

* 소아 뇌전증(Pediatric Epilepsy): 18세 이하 소아·청소년에게 명확한 외부 자극 없이 반복적으로 나타나는 발작이 특징인 만성 신경계 질환

기존 치료제에 효과가 미미했던 소아 뇌전증 환자들을 위한 새로운 치료 가능성이 열렸다. 한국보건산업진흥원(원장 차순도)은 연세대학교 세브란스 어린이병원 강훈철 교수 연구팀이 AI 기반 약물 탐색 기술과 환자에게서 얻은 유도만능줄기세포(iPSC)*를 활용하여, 환자 맞춤형 신약 후보물질을 발굴하고 효과성을 실험적으로 입증하는데 성공했다고 밝혔다.

* 유도만능줄기세포(iPSC): 성인의 체세포에 특정 유전자를 주입해 초기 줄기세포처럼 다양한 세포로 분화할 수 있도록 만든 세포이며, 환자의 유전정보를 그대로 보유하면서도 뇌 신경세포 등으로 변환이 가능해 맞춤형 질병 모델에 활용

소아 뇌전증은 대표적인 난치성 신경계 질환으로 국내에선 약 25만명이 겪고 있으며, 약 30~40%의 환자가 기존 항경련제에 반응하지 않는 ‘약물 난치성 뇌전증’에 해당된다. 특히, SCN2A 유전자 돌연변이* 같은 희귀 유전자를 가진 소아 뇌전증 환자는 개별 환자 간 실험 반응 차이가 크고, 기존 치료제로는 현저한 개선 효과를 얻기 어려운데다 정밀 질환 모델과 적절한 약물 탐색 기술마저 부족해 환자 맞춤형 약물을 개발하는 것이 절실한 상황이다.

* SCN2A 유전자 돌연변이: 발작과 발달장애 등을 일으키는 희귀 유전질환의 원인 유전자 돌연변이

연세대학교 강훈철 교수, 김지훈 연구원, 중앙대학교 나도균 교수 공동연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 환자의 혈액세포에서 유도만능줄기세포(iPSC)를 만들어 실제 환자와 동일한 질병 환경을 가진 정밀 질환 모델을 제작했다. 또한, 인공지능 기반의 고속 화합물 스크리닝*과 검증을 수행하여 기존 치료제를 능가하는 신약 후보 물질을 발굴하는데 성공했다. 

* 고속 화합물 스크리닝(High-throughput screening): 수많은 화합물을 자동화된 실험 시스템으로 빠르게 검사하여, 어떤 화합물이 생물학적 효과를 나타내는지 찾아내는 기술

해당 연구팀은 SCN2A 돌연변이가 뇌전증의 직접적인 원인임을 밝히기 위해 최신 유전자 교정 기술을 사용하여 돌연변이를 정상으로 교정하였고, 발작 증상이 사라지는 것을 확인해 해당 돌연변이가 발작의 원인임을 입증하였다.

또한, 맞춤형 신경세포 모델을 바탕으로 약 160만 개의 화합물을 AI 기반 시뮬레이션으로 분석하여, 혈뇌장벽 투과성, 독성 여부, 유전자 결합력 등을 고려한 최적의 신약 후보 물질 5종을 선별했고, 그 중 2종은 기존 치료제인 페니토인보다 약 100배 높은 효과를 보여 환자 맞춤형 치료 가능성을 현실화하는 계기를 마련했다.

이번 연구는 희귀 유전질환 환자의 유전자 특성과 세포 기반 모델 및 인공지능 기반 신약 탐색 기법을 결합함으로써, 기존 치료로 증상이 개선되지 않은 난치성 환자들에게 실질적인 대안을 제시한 정밀 의료 사례로 평가될 수 있다.

본 연구를 주도한 연세대 강훈철 교수는 “이번 연구는 난치성 뇌전증 환자를 위해 환자 유래 세포를 이용한 맞춤형 약물 탐색 기술이 효과적임을 증명한 사례”라며, “향후 SCN2A 외에도 다양한 유전자 돌연변이 환자를 위한 개인 맞춤형 정밀 치료제 개발 연구를 지속적으로 확장할 계획”이라고 밝혔으며, 공동연구팀의 중앙대 나도균 교수는 “본 연구는 희귀질환 분야에서 정밀의료 기술의 실질적인 활용 가능성을 입증한 사례”라며 “이번 연구성과가 향후 다양한 유전질환 환자들에게도 적용될 수 있는 혁신적인 치료전략으로 자리 잡을 것”이라고 강조했다.

이번 연구는 보건복지부와 한국보건산업진흥원이 추진하는 ‘공익적의료기술연구사업’의 지원으로 수행되었으며, 의료정보 분야의 세계적 학술지인 ‘Computers in Biology and Medicine’ 2025년 191권에 게재되었다.