필자가 지난 약 20여년간 독성개발 현장의 실무자들과 신약의 독성시험 및 평가에 관한 이슈들을 함께 다루면서 느낀 것은 실무자들의 독성에 대한 원론적인 이해가 충분하지 않거나 지나치게 틀에 박혀 있다는 것이다. 이에 KDDF Letter 기고 기회를 통해 독성실무자를 비롯한 신약개발에 몸담고 있는 분들이 독성평가와 해석에 관해 바른 인식을 가지고 신약개발에 접근할 수 있게 하기 위한 목적으로 “비임상 독성개발 시 명심해야 할 10가지 관점”을 제시하고자 한다. 또한 제약된 지면 때문에 더 많은 사례를 소개하지는 못하지만 몇 가지 사례를 곁들여 각 관점의 중요성을 주지하고자 한다.
[관점 1] 초기단계의 독성시험이 중요하다 - As early and succinct as possible.
독성 평가 시험은 비임상 동물 독성시험을 통하여 사람과 관련된 독성을 예측할 수 있는 가치를 가지고 있는 독성시험기법을 개발하고 수행하는데 의의가 있다. 또한, 이들 시험을 통해 투여-제한독성(Dose-limited toxicity)을 미리 확인하는 것이야말로 시간과 비용을 절감해 줄 수 있는 가장 중요한 개발 전략 중의 하나라고 할 수 있다.
독성 발현 유무 및 그 정도 등의 문제를 개발 과정 중 빨리 확인할수록 독성관련 문제들을 최소화할 수 있는 단서를 얻고 독성을 회피할 수 있는 약물 탐색 전략을 강구할 수 있을 것이다. 예를 들면, 독성 특성을 기준으로 약물의 개발 순위를 정할 수도 있을 것이다, 이는 매우 크게 시간과 비용의 절약으로 이어질 것이다. 이런 노력 끝에 선발된 물질은 GLP 독성 시험들에서 쉽게 관찰되는 투여-제한 독성의 안전역을 높이게 되고, First-In-Human (FIH) 시험의 성공률을 높일 수 있게 된다. 이렇듯 신약개발 초기단계 즉,
선도물질 최적화 또는 후보물질 선정단계에서 하는 독성시험을 탐색적 독성(Discovery toxicology; Exploratory toxicology)이라고 한다.
초기단계 독성시험은 GLP 독성시험이 아니며 신약을 개발하는 회사에서 할 수 있는 작은 규모의 시험이다. 개발 초기단계에는 일반적으로 많은 양의 약물을 확보 할 수 없기 때문에 소량의 화합물로 단 한 마리의 의 동물에서도 수행할 수도 있는 시험이다. 약물을 동물에 실제 적용해 본다는 점에서 매우 가치 있는 정보를 줄 수 있다. 이때, 주의하여야 할 점은 약물을 동물에 적용할 정도로 안정된 제제화 등 약물 특성이 안정화 되어 있지 않기 때문에 기술적인 측면에서 명료하고 정확하며 수준 높은 실험이 수행 되어야 한다는 것이다 (사례 1 참조).
초기단계 독성 시험의 중요한 목적 중의 하나는 독성 표적장기 (Toxicity target organ)를 찾는 것이다. 따라서, 적은 숫자의 동물시험에서 의미 있는 독성과 관련된 신호 (Toxicity signals)를 찾아내기 위해서는 정밀한 병리조직학적인 관찰이 필수적이다. 이것이 초기단계 독성 시험을
탐색적 병리학(Discovery pathology) 이라고도 부르는 이유이다.
결론적으로 동물독성시험은 빠를수록, 정확하고 상세하게 수행될수록 이어지는 신약의 탐색적 개발 과정에 커다란 이득이 된다.
| 사례 1. 탐색 독성학 동물시험의 기술적 정확성과 바른 해석이 개발약물의 운명을 좌우한다 |
| 저분자 화합물 염증 치료제의 개발 중 회사 내부에서 실시한 마우스 초기 독성 시험에서 간의 병변과 함께 ALT 와 AST가 약간씩 증가하였으며 중간용량 투여군의 마우스 한 마리에서는 ALT 가 15배정도 증가하였으므로 용량의존적인 시험결과가 나온 것처럼 보였다. 이런 결과를 바탕으로 해당 약물은 간 독성이 있다고 판단되었다. 하지만, 심도 있는 해석을 거쳐, 약물투여 연구원이 약물 투여과정에서 예민하게 행동하는 동물들을 미숙하게 다루어 간 손상이 유발된 것임이 밝혀졌다. 즉, 마우스의 간이 보정과정에서도 쉽게 간세포 효소 증가를 가져올 정도로 손상을 입기 쉽다는 사실과 함께 추후 실시된 간의 조직병리학적인 관찰에서 소위, zonal distribution이 발견되지 않았다는 사실에 입각하여 위와 같은 결론을 확정 지을 수 있었다. |
[관점 2] 독성시험은 독성을 보여주려는 것이다 – Reliable -reliable exposure
어떤 화합물이든 고농도로 노출되면 독성이 나타난다는 것은 매우 일반적인 독성학의 원칙이다. 많은 사람들이 하는 실수 중 하나는 독성시험에서 “독성이 나타날까 염려” 하는 것이다.
독성시험은 독성을 보여주기 위한 것이지 독성이 나타나지 않음을 증명하기 위한 것이 아니다. 특히, 어떤 신약이 의미 있는 약리효과를 보이기 위해서는 어느 정도의 독성을 감수해야 한다는 인식이 필요하다. 독성이 나타난다고 해서 개발하는 물질이 개발 가치가 없는 것만은 아니라는 것을 강조하고 싶다. 독성의 본질에 따라서는 독성이 차후의 개발 과정에 전혀 영향을 주지 않는 경우도 많다. 규제기관에서도 이런 인식을 바탕으로 하여 규제를 하는 것이다.
물론 독성이 전혀 없거나 매우 적으면서 효력만 극대화 된 약물을 찾고자 하는 것이 누구나 바라는 신약후보물질의 Target product profile 이겠지만, 현실적으로는 이러한 신약은 이상에 불과하다. 신약개발 과정에서 요구하는 대부분의 독성시험은 “최대내성용량 (Maximum tolerated dose: MTD)”을 제시하고자 수행되는 것이다. 다시 말하면, 임상에 적용하는 용량보다 훨씬 높은 용량을 동물에 적용하였을 때 나타나는 독성 반응을 보여줄 것을 원하는 것이다. 그러므로 충분한 노출을 통하여 고용량 투여 동물에서 독성반응이 나타날 수 있도록 독성시험을 설계하여야 한다. 즉, 충분한 “exposure” 에서 “frank toxicity” 를 보여주기를 원하는 것이다. 독성시험에서 가장 경계 하여야 할 부분은 의도적으로 낮은 용량으로 시험을 하여 독성을 감추려는 시도를 하는 것이다. 이것은 규제독성학의 기본원리에 전혀 맞지 않는 아주 우매한 전략이다 (사례 2 참조).
| 사례 2. 의도적으로 낮은 용량으로 시험하여 독성이 없음을 보여주다 |
| 저분자 화합물 당뇨병 치료제의 개발 중에 실시한 개 예비독성시험의 고용량 투여군에서 심장의 근육이 괴사되는 독성이 발견되었다. GLP시험인 28일 개 시험은 예비독성시험에서 독성이 나타난 용량보다 낮은 용량으로 수행되었다. 당연히, 이 GLP시험에서는 심장 근육 괴사가 나타나지 않았다. 규제기관에 이 독성시험자료를 제출한 결과 “충분한 용량이 노출되지 않은 시험이므로 투여용량을 높여서 독성시험을 다시 실시하라”는 의견서를 받았다. |
[관점 3] 독성 작용기전을 파악하려고 노력하여야 한다 – Mechanistic understanding
실무자나 관리자가 가지고 있는 큰 오해 중의 하나가 독성시험에서 독성이 나타났을 경우에 독성의 작용기전을 알 필요가 없다고 생각하는 것이다. 독성의 발견을 약물개발의 중단과 동일시 하는 안목도 이러한 잘못된 인식에 한 몫 하는 것 같다. 표면적으로 심각하게 보이는 많은 독성들이 기전적인 접근을 하여 분석해 보면 약물개발에 큰 부담을 주지 않는 경우가 상당 수 존재한다. 이것은 독성의 옥(玉)과 석(石)을 가리는 데에도 필수적이다. 사례 3에서처럼 약리작용이 과도하게 나타난 것이 마치 심각한 독성으로 오인 될 수도 있는 것이다 (? 사례 3 참조). 물론, 독성작용의 작용기전을 샅샅이 알아야 하는 것이 아니다. 어떤 경우에는 메커니즘을 아는 것이 가능하지 않은 경우도 있다. 하지만, 신약개발 프로젝트를 지속 발전시키기 위해서는 독성 이슈를 관리해야 하며, 이를 위해서는 발현된 독성에 대해서 과학적인 논거를 바탕으로 이해해야 한다. 예를 들면, 신약탐색과정 중 초기 단계에 선도 물질 중 하나 이상이 유사한 독성을 나타낸다면 소위, 계열 효과 (class effect)인지의 여부를 파악하기 위한 독성 기전 파악 시험을 구상하고 실시하여 독성의 특성을 이해하려고 노력하여야 한다. 약물의 물리, 화학적 구조와의 관련성과 동물 종간의 차이를 염두에 두고 시험을 설계 할 수도 있다. 나아가, 유전자 변형 동물을 이용하여 독성의 분자표적에 좀 더 접근할 수도 있을 것이다. 이러한 노력을 통해 화합물의 독성적인 특성에 대한 깊은 이해를 할 수 있고 이것은 곧, 독성을 최소화하기 위한 전략으로 이어질 수 있다.
| 사례 3. 약리기전이 곧 독성기전 (Exaggerated pharmacology) |
| 저분자 화합물 비만 치료제의 28일 랫드 독성시험 결과 용량 의존적인 독성이 나타났다. 체중 20% 감소, 백혈구 및 적혈구의 심한 감소, 골수의 지방세포 침윤, 전위의 궤양·염증·과형성, 부신의 비대 및 흉선의 위축, 난소·자궁·전립선·저정낭의 위축 등의 병변이 보고되었다. 병변의 정도가 심하였기 때문에 심각한 독성으로 보였다. 하지만, 작용기전의 측면에서 이해하였을 때, 비만치료제의 약리작용이 지나치게 많이 나타나서 생긴 병변들임을 알 수 있다. 즉, 사료섭취량 감소에 따른 칼로리 공급이 적어지게 되어서 조혈호르몬인 erythropoietin의 자극이 감소하여 혈액학적 변화와 골수의 변화를 가져왔고, 마찬가지로 칼로리 감소에 따른 LH/FSH 자극의 감소로 인한 생식기계 위축이 있었으며, 이런 비특이적인 스트레스로 인해서 흉선의 위축, 부신피질의 비대, 전위의 변화들이 초래된 것이다. 결국 진정한 독성으로 볼 수 있는 독성은 없는 물질로 판단되었다. |
[관점 4] 독성시험의 설계는 시험물질마다 다르게 해야 한다 – Biomarkers
ICH M3(R2)에 의하면 독성시험의 목표는 “표적장기의 동정, 용량 의존성 파악, 노출과의 상관성, 그리고 회복성 등의 정보들을 획득하고 이를 이용하여 임상시험의 초기용량과 용량범위를 결정하고, 잠재적 위해 작용을 모니터 할 수 있는 파라미터를 설정하는 것” 이라고 하였다. 이러한 규제독성 시험 자체가 일종의 스크리닝 시험의 성격을 가지는 것이지만, 독성시험을 통하여 시험물질의 독성 정보를 최대한 얻을 수 있는 프로토콜을 만들어야 한다. 가장 이상적인 독성시험 설계는 비임상 독성시험을 통하여 임상 모니터링을 가능하게 하는 바이오 마커에 대한 정보를 얻을 수 있도록 만들어진 것이다. 예를 들어, 심장독성이 임상시험에서 예측되는 물질이라면 비임상시험 설계시 원격 심전도 측정검사(telemetry) 와 조직학적 관찰은 물론이고, 혈중 troponin I 의 측정항목을 포함할 수 있다. 비임상시험 수행시 시험물질 특이적인 독성을 예측할 수 있는 바이오마커를 찾아내고 이런 “pre-monitoring” 정보를 심장독성 모니터링의 근거로 이용하면 후보물질의 임상시험 진입이 훨씬 수월하게 될 수 있다.
[관점 5] 독성의 의미는 약물의 성격에 따라서 다르다 - Tolerability
두 가지 다른 약물에서 유사한 독성이 발견되었더라도 약물의 임상적용에 따라서 그 독성의 의미는 달라진다. 예를 들면, 당뇨병 치료 목적으로 사용할 약물의 독성과 항암제에서의 독성은 차원이 다를 수 있다. 어느 정도의 독성은 치료목적을 위하여 희생적으로 용인될 수 있지만 어느 한도를 넘는 독성은 허용될 수 없다. 이것을 정확히 평가하고 판단하는 것은 매우 어려운 일이다. 하지만 최선의 노력을 기울여서 risk/benefit 의 균형을 추구하여야 하고, 이런 판단의 기준은 “이 독성이 해당 적응증과 용도에서 용인될 수 있는가?” 를 따져 보는 것이다.
[관점 6] 시험의 결과는 신중하게 검토하여야 한다 – Peer review
Peer review (동료평가)의 사전적인 의미는 같은 분야의 전문가들이 어떤 연구/시험 결과물을 심사하는 과정인데, 새롭고 균형 있는 관점을 지닌 전문가가 참가하여 실수나 오류를 바로잡고 중립적인 평가결과를 내리는데 매우 중요한 절차이다. GLP 비임상시험을 수행하는 대부분의 시험기관은 시험 의뢰자나 외부 전문가가 가지고 있는 시험물질에 관한 방대한 양의 정보에 대해서 잘 알지 못하는 경우가 많다. 따라서, 이러한 정보의 미 인식 또는 부재는 시험의 완성도, 특히, 최종적으로 규제기관에 제출될 시험보고서의 무결점성 및 중립성에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 이러한 부작용을 방지하기 위해 대부분의 독성시험에 대해서 내부 및 외부 peer review 절차를 거치며, 이 사실을 시험 보고서에도 명기한다.
시험에 대한 최종적인 판단의 책임은 비임상시험기관의 시험책임자가 가지고 있지만 관련분야의 전문가의 peer review를 통한 전문적인 검토를 거치는 것은 어떤 약물의 개발 운명을 좌지우지 할 정도로 중요하다. 실제로 필자가 peer review 실무를 하는 입장에서 보면 peer review를 통해서 초안 보고서 내용이 전혀 다른 상반된 내용으로 바뀌는 것을 흔히 경험하곤 한다. 따라서, 신약개발을 담당한 독성실무자가 시험수행기관의 시험담당자와 시험 결과에 대해 다른 의견을 가지고 있는지에 대해서 살펴 보아야 하고, 소위 다국적 제약회사에서는 거의 모든 비임상 시험에 대해서 peer review를 실시하는 것을 정책으로 정하고 있다.
[관점 7] 재시험을 한다고 하여도 이전 시험의 결과가 무시되는 것은 아니다 – Retest
GLP 독성시험에서 원하지 않은 결과, 즉, 독성이 나왔을 때 많은 신약개발업무의 관리자들이 쉽게 선택하는 결정이 재시험이다. 재시험을 통해 더 좋은 결과 (즉, 낮은 독성)를 얻었다고 해서 이전 GLP 시험에서 얻어진 결과의 의미가 사라지는 것이 아니다. 게다가, 재시험을 하여도 이전에 실시한 GLP 시험의 정보 역시 규제기관에 제출하여야 한다. 이것이 GLP시험의 원칙이다. 또한, ICH M3(R2)에서 언급하듯이 비임상시험은 동물을 희생시키는 시험이므로 객관적이고 타당한 과학적 근거 없이 재시험을 하는 것은 동물시험의 3R 원칙 (Replacement, Reduction, Refinement)을 위반할 수 있음을 염두에 두어야 한다.
일단 GLP 시험은 아주 신중하게 실시하여야 한다. 만일 시험과정에서 용납할 수 없는 실수가 있었다면 재시험의 명분이 될 수 도 있다. 재시험을 하게 된다면 재시험을 결정하게 된 시험의 오류에 대해서 명확히 인지하여야 하고 개선되어야 한다. 예를 들어서, 생물학적 제제의 투여 시 투여부위의 염증성 변화로 인한 다수 동물의 사망이 있는 경우, 투여실수로 인해서 약물과 관련된 독성시험의 정보를 얻기에 충분하지 않은 경우이므로 재시험의 명분이 될 수 있겠다. 하지만, 예상하지 못한 독성이 나온 결과에 승복하지 못하는 태도에서 비롯된 재시험 결정은 매우 합당하지 않은 것이다. 이런 재시험에 드는 비용을 독성 현상을 규명하는 시험에 투입하는 것이 훨씬 현명한 독성개발이라고 할 수 있다.
[관점 8] 경쟁약물의 독성 정보는 가장 큰 참고자료이다 – Value of competitor information
비임상 독성시험의 최종 목적은 임상 적용 시 나타날 수 있는 독성을 미리 예측하는 것이다. 극복하기 힘든 종간의 차이에도 불구하고 가장 좋은 독성시험의 모델은 임상 예측성을 가지는 것이다. 비임상시험정보와 임상시험 결과를 합한 정보의 가치는 매우 높다. 만일 경쟁약물의 임상시험 결과를 미리 알 수 있다면 후발 개발자의 입장에서 많은 독성정보를 얻을 수 있는 것이다. 비임상 결과와 임상결과를 비교하고 분석하면서 임상에 적용했을 때 나타날 수 있는 부작용에 대해서 예상해 볼 수 있기 때문이다.
개발 단계 물질의 독성정보를 public domain 에서 얻는 것은 쉽지 않겠지만 NDA 자료는 FDA 사이트에서 무료 혹은 약간의 돈을 지불하여 얻을 수 있다. 필자는 전임상개발 시험 비용이 10억원이라면 그 비용의 10분의 1의 비용 즉, 1억원은 경쟁물질의 정보를 얻고 분석하는데 사용하여야 한다고 생각한다. 이 비용에는 위 역할을 하는 직원의 인건비, 정보를 얻기위한 학회 참석비, 문헌 구입비, 혹은 정보를 얻는데 드는 컨설팅 비용 등이 포함된다. 지피지기이면 백전백승이라고 하였다. 이 말은 의약개발에서도 적합한 말인 것 같다.
[관점 9] 데이터의 종합적인 해석이 중요하다 – Comprehensive interpretation
독성시험에서 얻은 데이터는 독성 전문가의 해석을 통하여 의미를 지닌다. 독성의미의 해석은 포괄적이어야 하며, 시험의 종류, 개발단계, 회사 상황 등에 따라 다르게 독성의 의미가 파악될 수 있다.
독성데이터의 해석은 대체로 다섯 단계의 질문에 대한 대답을 만들어내는 것으로 그 의미가 부여된다: 첫 번째, 투여물질과 관련된 독성인가? 두 번째, 심각한 독성인가? 세 번째, 독성 기작은 무엇인가? 일차적인 약리효과, 이차적인 약리효과, 화학적 효과 중 어느 것인가? 네 번째, 사람에서도 나타날 수 있는 독성을 예측할 수 있는 독성인가? 다섯 번째, 독성발현이라는 위험을 관리할 수 있겠는가? 등이다.
표 1에 독성시험 결과의 해석을 위한 체크 포인트를 열거하였다. 이것들이 모든 독성에 동일하게 적용되는 것은 아니지만 이런 검토 항목을 망라하여 포괄적으로 해석을 하여야 한다. 흔히 독성이 나타나면 개발 물질 자체가 바뀌는 것이 아니므로 물질을 버려야 한다고 생각하는데, 개발물질을 바꾸지 않고 개발 할 수 있는 여지는 남아있다. 흔히 생각할 수 있는 전략의 예를 들자면, 임상적용 대상을 달리하는 방식, 그리고 임상노출을 변형하는 방법, 심지어는 해독제를 동시에 투여하여 개발하는 방법도 있을 수 있다. 개발 물질이 포기하기에 얼마나 아까운지에 따라서 사용할 수 있는 전략이 달라지겠지만, 독성이 인정되는 물질이라도 적절한 독성관리 전략과 비임상개발 여하에 따라서 개발을 진행할 수 있음을 명심해야 한다.
[관점 10] 전임상 독성은 초기임상을 위한 것이다 – Translation to early clinical trials
여러 번 강조해도 지나치지 않을 비임상 독성시험의 가치는 초기임상 시험을 위한 정보를 얻는 것이며 전임상 시험이든 초기임상 시험이든 약물의 독성을 파악하는 것이 최종 목표이다. 전임상 독성시험을 실시할 때 항상 임상 시험을 염두에 두어야 한다. 즉, 초기임상 시험의 FIH 목표를 달성하기 위해서 희망하는 NOAEL 용량은 어디까지 인지? 그리고, MTD 를 어느 용량까지 얻어야 초기 임상 시험에서 목표로 하는 용량수준에 도달 할 수 있는지? 뿐만 아니라 예상되는 표적장기 독성을 임상에서 모니터 하기 위해서 임상시험의 바이오 마커를 미리 염두에 두고 비임상 시험을 설계하는 것도 필요하다. 결국, 비임상 시험단계에서 임상 개발단계를 미리 예측하고 서로 협력하는 것이 중요하다.
맺음말
약물개발에서 독성개발이란 평가와 동시에 연구여야 한다. 독성평가는 ICH에서 정한 시험의 종류를 수행함으로써 숙제를 마치는 성질의 것이 아니다. 개발물질의 독성을 정확하게 인식하기 위해서 끊임없이 연구하는 독성개발을 갈구해야 하며, 발견된 독성에 대해서는 독성을 회피하려는 전략을 구사하는 독성 관리(toxicology management)가 뒤따라야 한다. 이 기고문을 통해 필자가 강조하고자 하는 점은 “
독성의 확인과 관리전략은 개발 초기에서부터 하여야 한다” 이다. 마지막으로, 본문에 기술한 약물의 독성에 대한 포괄적인 이해는 환자에 치료적인 혜택을 주며 약물개발로 이윤을 추구하려는 개발자의 입장과 약물로 인해 인권이 침해되지 않으며 공공보건이 향상되도록 노력하는 규제기관의 입장이 “인류를 위한 안전한 약물개발”이라는 같은 종착점에 동시에 도착하는데 가장 중요한 가교 역할을 함을 강조하며 마무리 하려고 한다.
