강훈철 연세대 세브란스어린이병원 교수, 김지훈 연세대 연구원, 나도균 중앙대 바이오및뇌공학과 교수팀이 인공지능(AI)을 바탕으로 희귀 난치성 소아 뇌전증 환자 줄기세포를 활용해 기존 치료제보다 최대 100배의 효과를 보이는 환자맞춤형 신약후보물질을 발굴했다.

한국보건산업진흥원은 이들 연구팀이 AI 기반 약물탐색 기술과 환자에서 얻은 유도만능줄기세포(iPSC)를 활용, 환자 맞춤형 신약후보물질을 발굴하고 효과성을 실험적으로 입증하는 데 성공했다고 19일 밝혔다.

소아 뇌전증은 대표적인 난치성 신경계 질환으로 국내에선 약 25만명이 겪고 있다. 환자 30~40%가 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 어렵다. 정밀 질환모델과 적절한 약물탐색 기술마저 부족해 환자 맞춤형 약물을 개발이 절실한 상황이다.

연구팀은 환자 혈액세포에서 유도만능줄기세포를 만들어 실제 환자와 동일한 질병 환경을 가진 정밀 질환모델을 제작했다. 유도만능줄기세포는 성인 체세포에 특정 유전자를 주입해 초기 줄기세포처럼 다양한 세포로 분화할 수 있다. 환자 유전정보를 그대로 보유하면서도 뇌 신경세포 등으로 변환이 가능해 맞춤형 질병 모델에 활용된다.   SCN2A 돌연변이 난치성 소아 뇌전증 맞춤형 신약후보물질 개발 흐름도 

연구팀은 여기에 AI 기반 고속 화합물 스크리닝과 검증을 수행해 기존 치료제를 능가하는 신약 후보 물질을 발굴했다. 연구팀은 SCN2A 돌연변이가 뇌전증의 직접적인 원인임을 밝히기 위해 최신 유전자 교정 기술을 사용하여 돌연변이를 정상으로 교정했다. 발작 증상이 사라지는 것을 확인해 SCN2A 돌연변이가 발작 원인임을 입증했다.

연구팀은 맞춤형 신경세포 모델을 바탕으로 약 160만개의 화합물을 AI 기반 시뮬레이션으로 분석했다. 이어 혈액뇌장벽 투과성, 독성 여부, 유전자 결합력 등을 고려한 최적의 신약 후보 물질 5종을 선별했다. 2종은 기존 치료제인 페니토인보다 약 100배 높은 효과를 보여 환자맞춤형 치료 가능성을 실현할 계기를 마련했다.

이번 연구는 희귀 유전질환 환자의 유전자 특성과 세포 기반 모델, AI 기반 신약 탐색 기법을 결합함으로써, 기존 치료로 증상이 개선되지 않은 난치성 환자에게 실질적인 대안을 제시한 정밀 의료 사례로 평가된다.

강훈철 연세대 교수는 “이번 연구로 난치성 뇌전증 환자를 위해 환자 유래 세포를 이용한 맞춤형 약물 탐색 기술이 효과적임을 증명했다”며 “앞으로 SCN2A 외에도 SCN1A, SCN8A, KCNQ2 등 다양한 유전자 돌연변이에 의한 난치성 뇌전증과 신경발달질환 환자를 위한 개인맞춤형 정밀 치료제 개발 연구를 지속하겠다”고 말했다.

이번 연구는 보건복지부와 보산진의 ‘공익적의료기술연구사업’ 지원을 받아 수행했다. 의료정보 분야의 국제 학술지인 ‘Computers in Biology and Medicine’(IF=7.0) 2025년 191권에 게재됐다.