성공하는 IP-R&D전략 - 특허분석을 통한 체외 혈관화 생체 시스템 분야의 기술동향
성공하는 IP - R&D전략은 한국산업기술진흥협회와 한국지식재산전략원간 협력사업의 일환으로 한국지식재산전략원에서 제공합니다.
마스카라가 생산되기 전에 화장품이 눈에 들어갔을 때 안점막을 자극하는 정도를 보기 위해 토끼의 눈에 몇 시간 간격으로 화학물질이 주입된다.
토끼는 이물질을 씻어낼 만한 눈물이 분비되지 않아 타들어가는 고통에 몸부림을 치고, 생존하더라도 결국 안락사가 되고 안구는 적출되어 약물에 대한 반응을 관찰하는 용도로 사용된다.
이러한 동물실험은 화장품뿐만 아니라 농약이나 의약품, 식품 등 많은 분야에서 광범위하게 이용되고 있다.
하지만, 동물실험은 잔인하고 불필요한 것이며 잘못된 결과를 가져올 수 있다는 이유로 동물보호단체로부터 비판받아 왔다.
그 결과로 프랑스 등 여러 국가들은 화장품과 원료에 대한 동물실험을 금지시키는 법을 마련하고 있다.
이러한 동물실험금지법은 유럽연합을 비롯하여 크로아티아, 이스라엘, 인도에서도 시행되고 있다. 이러한 추세에 맞춰 국내에서도 동물실험 금지를 담고 있는 화장품법 개정안이 발의되었다.
화장품 등 사람과 관련된 제품은 인체에 무해한지를 검증하는 일이 필요한데, 이를 검증하기 위한 동물실험 대체 연구개발이 유럽연합 등에서 활발히 진행되고 있다.
이러한 동물실험을 대체하기 위한 방편으로 조직공학이 발전되어 오고 있다.
1993년에 처음 소개된 조직공학은 의학과 공학이 융합된 기술이다.
조직공학 기술은 플레이트 위에서 주기적으로 배양액을 갈아주면서 세포를 성장시키는 기존의 생화학연구실에서 이루어지는 세포배양 실험과 다른 개념이다.
조직공학의 핵심기술은 생체조직을 이루는 세포가 체외에서도 조직의 형태를 이룰 수 있도록 산소와 양분이 충분히 공급될 수 있는 통로 개발에 있다.
이러한 조직공학 기술을 구현시키기 위해서는 미세공학과 미세유체 기술이 필요하다.
미세유체 기술은 마이크로 단위의 아주 작은 영역에서 배양액의 흐름을 제어하여 세포를 성장시킬 수 있다.
구체적으로는, 미세유체 기술은 생체조직 시스템 내에 포함된 매우 작은 크기의 마이크로 유체 채널들을 구성하고 있어 생체와 비슷한 물리적 환경을 제공하고 충분한 산소를 공급하는 동시에 빠른 영양분의 확산을 도와줄 수 있다.
이러한 미세유체 칩은 일반적으로 그림 1 에서와 같이 반도체 공정에서 사용되는 포토리소그래피(Photolithography) 등의 기술을 이용해 제작할 수 있다.
우선 실리콘 기판 위에 감광제(Photoresist)을 코팅하고 포토마스크(Photomask)를 통해 자외선을 쬐어 패턴을 형성시켜 미세구조를 만든다.
이후 폴리디메틸실록산(PDMS) 등의 고분자에 미세구조를 형성시킨 다음, 유리 기판과 플라즈마를 접합시켜 칩을 만든다.
형성된 칩 안에 세포를 배양하면 된다.
세포가 심어진 하이드로젤을 주입해 굳히고, 하이드로젤 내에 직접 집적된 미세유체채널을 넣어 3D 환경에서 세포를 배양한다.
생체조직 칩은 개발 초기에 미세유체채널 표면이 코팅된 2차원 상의 시스템에서 세포를 배양하는 방법으로 제조하였다.
그러나 이러한 2차원 상에서 이루어지는 세포실험은 실제 생체 내 환경을 반영하지 못하는 단점이 있다.
따라서 생체 내 조직과 유사한 생체조직의 구현이 가능한 사람세포 유래 3차원 실험법 개발이 요구되어졌다.
이러한 3차원 실험법을 구현하기 위한 생체조직 칩은 크게 두 가지 유형으로 연구가 진행 중이다.
먼저, 미국의 하버드대 Whiteside 교수 연구팀에서 시작된 PDMS 미세유체 칩 기반의 세포 배양 칩이다.
이러한 세포 배양 칩은 PDMS 미세유체 칩 내에 콜라젠(Collagen)과 같은 하이드로젤(Hydrogel)을 주입시키고 칩 내 미세유체채널을 통해 세포 배양액과 성장 인자 등을 전달시켜 세포를 배양시키는 방법을 통해 구현될 수 있다.
이러한 유형의 연구를 진행하고 있는 국내의 주요 연구그룹으로는 서울대 전누리 교수팀, 고려대 정석 교수팀이 있다.
다른 유형은 세포가 심어진 하이드로젤 구조체 내에 직접 미세유체채널을 끼워 넣어 세포 배양 칩을 제작하는 것이다.
이러한 유형의 연구를 진행하고 있는 국내의 주요 연구그룹으로는 한국과학기술연구원의 최낙원 박사팀, 홍익대 성종환 교수팀이 있다.
특허분석
특허분석은 2014년 3월까지 공개 또는 공고된 체외 혈관상 생체조직 제조 기술과 관련된 특허를 대상으로 실시하였다.
분석 대상 국가로는 한국, 미국, 일본 및 유럽으로 한정하였다.
(1) 국가별 출원동향
그림 2 에 나타낸 바와 같이, 미국 출원이 가장 많은 50%를 차지하고 있고, 유럽 및 일본의 출원은 20% 정도를 차지하고 있으며, 한국의 출원은 11%를 차지하고 있다.
이러한 결과는 각 국가의 제약시장 규모와 관련된 것으로 추정된다. 2011년 Scientific American이 발표한 세계 주요 국가들의 바이오산업 경쟁력 순위에서 미국이 종합점수 1위(특허 1위, 교육/인력 1위, 산업집중도 2위, 기업환경 3위)를 차지하고 있다.
반면 한국은 19위를 차지하고 있는데 이는 취약한 국내 제약시장이 반영된 결과라고 판단된다.
특히, 미국 정부는 2011년 미국 국립보건원(NIH)의 주도의 티슈 칩 프로젝트(Tissue Chip Project)에 5년 동안 7천만 달러를 지원할 예정이고, 2012년 하버드대학교 주도의 규모의 오간스 온 칩스(Organs-On-Chips) 프로젝트에 3천7백만 달러를 지원할 예정에 있다.
이러한 결과, 향후 체외 혈관상 생체조직 분야에서 미국의 특허출원은 다른 국가의 것보다 더욱 많아질 것으로 예상된다.
(2) 출원인별 출원동향
체외 혈관상 생체조직 분야 관련 전체 특허출원 건에 대한 주요 출원인을 조사한 결과, 그림 3 에 나타낸 바와 같이, 일본 기업인 Hitachi가 80여 건의 가장 많은 출원을 하고 있고, 다음으로 일본 기업인 Olympus와 미국 기업인 Corning이 많은 출원을 하고 있었다.
이와 같이 일본 기업들이 주요 출원인에 다수 포진된 이유는 정밀기계 기술 분야에서 정상의 기술을 보유 중인 Hitachi나 Olympus 등과 같은 기업들이 생체조직 배양 장치에 많은 연구를 한 결과라고 볼 수 있다.
그림 4 에 나타낸 바와 같이 국가별 주요 출원인 분석 결과를 살펴보면, 미국의 경우 Advanced Tissue Sciences와 Corning과 같은 기업들이 많은 특허출원을 하고 있지만, MIT나 General Hospital와 같은 대학이나 공공연구소들도 많은 특허출원을 하고 있다.
이는 미국은 기업과 대학 등 공공연구기관 모두 관련 분야에 대해 활발히 연구를 진행하고 있음을 알 수 있다.
일본의 경우 Hitachi와 Olympus와 같은 기업들이 특허출원을 주도하고 있다.
이는 일본은 공공연구기관보다는 기업들이 활발히 관련 분야에 대한 연구를 진행하고 있음을 알 수 있다.
유럽의 경우 미국 및 일본의 주요 출원인들의 패밀리 특허출원이 다수를 차지하고 있다.
이는 유럽 국가는 일본이나 미국보다 관련된 연구 분야에 대해 연구가 많이 진행되지 않음을 알 수 있다.
한국의 경우 KAIST, 서울대, KIST와 같은 대학 및 공공연구기관들이 많은 특허출원을 하고 있다.
이는 한국은 국가의 연구자금을 지원받은 공공연구기관이나 대학 위주로 관련 분야에 대한 연구가 진행됨을 알 수 있다.
(3) 기술별 출원인별 출원동향
먼저, 그림 5 를 통해 미세유체채널 형성과 같은 혈관상 제조 분야에 대한 주요 출원인 동향을 살펴보자.
미국의 Children’s Medical Center가 가장 많은 특허출원을 하고 있고, 다음으로 미국의 General Hospital과 MIT가 많은 특허출원을 하고 있다.
또한, 한국의 KAIST와 서울대도 많은 특허출원을 하고 있다.
결과적으로 혈관상 제조 분야는 미국의 공공의료기관이나 대학이 주도적으로 연구하고 있음을 알 수 있다.
다음으로, 그림 6 을 통해 세포성장 및 유지를 위한 미세유체 시스템과 같은 체외생체조직배양 분야에 대한 주요 출원인 동향을 살펴보자.
그림에서 보는 바와 같이, 일본의 Hitachi가 월등히 많은 특허출원을 하고 있는데, Hitachi는 미세유체시스템, 세포배양용기장치, 세포배양 및 유지용 모니터링 시스템과 같은 상세 기술 분야에서 고르게 특허출원을 하고 있었다.
다음으로 미국의 Corning이 많은 특허출원을 하고 있으며, 한국의 KAIST와 서울대, 미국의 MIT도 많은 출원을 하고 있다.
결과적으로 체외생체조직배양 분야는 일본의 Hitachi가 주도적으로 연구하고 있고, 미국의 Corning도 활발히 연구하고 있으며, 한국의 KAIST와 서울대, 미국의 MIT와 같은 대학 및 공공연구기관들도 관련된 연구를 하고 있음을 알 수 있다.
맺음말
2013년 3월부터 유럽 화장품에 대한 모든 동물실험이 금지되고, 2011년에 일본은 화장품 제조판매 승인 신청시 국제적으로 인정된 동물대체시험법에 따른 자료 제출을 허용하였고, 2012년에 중국도 광독성 대체시험법을 안전성 평가에 활용할 수 있도록 허용하였다.
또한, 국내에서도 화장품의 이미지 향상과 신소재 화장품의 안전성 확보를 위하여 국제수준의 동물대체시험법 개발 및 인프라 확산이 요구되고 있다.
이와 같이, 화장품, 의약, 식품 등에 사용되어 온 동물실험 금지는 이미 전 세계적인 추세이며, 이에 따라 동물실험을 대체하는 체외 혈관상 생체조직 개발은 국가적으로 반드시 필요하다고 할 수 있다.
하지만, 체외 혈관상 생체조직 연구는 아직 초기 단계에 머무르고 있고 의약 분야 등 산업 현장에 적용되기까지는 오랜 시간이 걸릴 것으로 예상된다.
하지만, 체외 혈관상 생체조직 산업은 신약 개발과 연계된 바이오산업의 새로운 성장동력이 될 것으로 전망되고 이와 관련된 잠재적인 시장 규모는 상당히 클 것으로 예상된다.
또한 앞으로 5년 이내에 제약회사나 화장품회사 등에서 활용할 수 있는 상용화된 제품들이 나올 것으로 예상된다.