하계 올림픽은 놀라운 승리, 투지, 경기 기록이 펼쳐지는 멋진 행사입니다. 선수들은 항상 규칙 범위 내에서 최선의 방법(식이요법, 고압실, 냉동 요법 등)을 찾으며 경기력 향상 약물(PED)은 절대로 넘어서는 안 되는 경계선입니다. 경기력 향상 약물(PED)은 국제올림픽위원회(International Olympic Committee), 미국 도핑방지위원회(US Anti-Doping Agency), 세계도핑방지기구(World Anti-Doping Agency)로부터 지속적인 조사, 추적 및 테스트를 받고 있습니다. 약물과 방법의 계속된 진화에도 불구하고 단백동화남성화 스테로이드(AAS)는 올림픽에서 투르 드 프랑스, 철인 3종 경기는 물론 크로스핏 경기 같은 보다 전문적인 스포츠에서도 주된 경기력 향상 약물로 사용되고 있습니다. 이 블로그에서는 대표적인 경기력 향상 약물과 그러한 약물의 검출 방법을 세부적으로 알아봅니다.
경기력 향상 약물이란?
스테로이드와 그 대사 산물, 테스토스테론을 검출하기 위한 분석 프로토콜을 개발하는 데는 해당 물질에 대한 구조적 이해가 중요합니다. 테스토스테론(T)은 자연적으로 생성되는 호르몬으로, 안드로겐 수용체의 기본 리간드입니다. 이 수용체가 테스토스테론 또는 합성 스테로이드와 같은 안드로겐과 결합되어 활성화되면 근력, 골밀도, 적혈구 세포 생산 증가와 같은 매력적인 경기력 향상 효과가 나타납니다. 강한 근력과 높은 골밀도는 운동 선수들에게 분명한 이점이며 적혈구 세포 생산 증가 역시 근육과 장기에 더 많은 산소를 공급하여 에너지 생성과 회복에 도움을 줍니다. 따라서 합성 또는 천연 테스토스테론은 모두가 단백동화 스테로이드의 기초 성분입니다.
단백동화 스테로이드는 다음과 같은 세 가지 유형으로 분류됩니다(아래 그림 1 참조).
- 테스토스테론 파생물
- 5α-디히드로테스토스테론(DHT) 파생물
- 19-노르테스토스테론 파생물
그림 1: 일반 단백동화 안드로겐성 테스토스테론 파생물, 5α-디하이드로테스토스테론 파생물, 19-노르테스토스테론 파생물과 비교한 테스토스테론 구조.
구조, 기질 활동, 반감기의 차이가 이들 단백동화 안드로겐성 테스토스테론 파생물의 생물학적 특성에 영향을 미칩니다. 테스토스테론은 자연적으로 생성되는 물질이기 때문에 이러한 차이는 해당 화합물의 검출 방법을 설계하는 토대가 됩니다.
경기력 향상 약물의 검출 방법
각 약물마다 주요 대사 물질을 식별하는 것이 직접 소변, 혈액 또는 타액 진단 테스트를 개발하는 첫 번째 단계입니다. 인체는 천연(내인성) 테스토스테론(T)과 에피테스토스테론(E)을 약 0.4-2 비율로 생성합니다(그림 2A)1. 첫 번째 검출 방법 중 하나는 단순히 소변 샘플의 테스토스테론과 에피테스토스테론의 비율을 측정했습니다. T/E 비율이 4를 초과하면 외인성 테스토스테론 생성물 도핑이 의심됩니다. 외인성 테스토스테론 존재 사실을 확인하기 위해 실험실에서는 테스토스테론 내 13C:12C의 동위원소 비율을 측정할 수 있습니다. 실험실에서 만든 테스토스테론은 내인성 T2보다 13C:12C의 비율이 약간 더 낮습니다. 이 방법은 2006년 투르 드 프랑스에 참가한 Floyd Landis의 경기력을 조사하는 데 사용되었으며 그는 실제로 외인성 테스토스테론을 사용한 것으로 밝혀졌습니다.
그림 2. 단백동화남성화 스테로이드 검출을 위한 테스트 매개변수 A: 인체 내에서 0.4-2 비율로 생성되는 테스토스테론(T)과 에피테스토스테론(E)의 구조. T/E 값이 4보다 크면 AAS 도핑 증거로 간주됩니다. B: 소변 검사 방식의 스타노졸롤 검출에 필요한 대사 및 분석 절차.
경기장에서 스테로이드 약물이 처음 발견되면 규제 기관이 해당 약물 검출과 분석을 위해 그 특성과 대사 과정을 이해해야 합니다. 1988년 서울 올림픽에서 육상 선수 Ben Johnson이 세계 기록을 세웠지만 테스트 결과 스타노졸롤 양성 판정을 받고 금메달이 박탈된 사례가 있습니다. 이 약물의 검출 방법을 개발하기 위해 연구원들은 스타노졸롤의 대사와 가장 정확한 검출 방법을 이해해야 했습니다. 오랜 시간 검증을 거친 가스크로마토그래피-질량분석법(GC-MS)3으로 대사 물질을 검출하는 데 필요한 샘플 처리와 함께 스타노졸롤의 주요 대사 경로가 그림 2B에 세로 경로로 나와 있습니다. 그러나 스타노졸롤은 17-에피-스타노졸롤-N-글루쿠로나이드라는 또 다른 소량의 대사 물질을 생성합니다(그림 2B의 가로 경로). 이 대사 물질은 수명이 길어 투여 후 28일까지 검출될 수 있습니다! 이 대사 물질로 스타노졸롤을 검출하기 위해 전기분무 이온화(ESI), 액체 색층분석 질량 분광법(LC-MS)을 활용하는 복잡한 방법의 조합이 최근 개발되었습니다. 간단히 말해, 이들 기법은 질량으로 분리 및 식별될 수 있는 이온을 생성하여 해당 대사 물질을 특성화하고 식별합니다.
경기력 향상 약물이 계속 문제가 되는 이유
과학자들이 2000년대 초반 알게 된 단백동화남성화 스테로이드 검출 기법을 개선하기 위해 노력하는 동안 Barry Bonds는 홈런을 치며 경기력을 발휘하고 있었습니다. MLB는 Bonds와 다른 선수가 강력한 동화작용 효과를 내면서 동시에 반도핑 테스트 프로토콜을 고려하여 특별히 고안된 새로운 합성 스테로이드인 테트라하이드로게스트리논(THG)을 몰래 사용해 왔다는 사실을 알지 못했습니다. 반도핑 프로그램에 해당 물질의 존재 여부에 대한 정보나 대사 물질에 대한 정보가 없었기 때문에 “더 클리어(The Clear)”라는 별칭을 가진 THG는 처음에는 소변에서 검출되지 않았습니다. 조사 과정에서 사용한 주사기의 잔여물에서 THG 샘플이 추출 및 식별되었으며 이후 검사하기 위한 LC-MS/MS 방법이 쉽게 개발될 수 있었습니다4.
이 야구 스캔들은 반도핑 프로그램에서 AAS의 직접 검출을 둘러싼 몇몇 이슈의 대표적인 사례입니다. 우선, 검사 프로세스는 알려진 물질의 알려진 대사 물질을 조사합니다. 따라서 우수한 장비를 갖춘 조직이 아직까지 검출 회피 사례가 없는 "디자이너 스테로이드"를 합성할 수 있습니다. 테스트 프로토콜이 구축되어 있더라도 테스트를 자주 하지 않으면(일례로 MLB에서는 연간 2회 테스트 실시) 스테로이드 사용이 검출되지 않을 수 있습니다. 테스트 간격이 길어질수록 스테로이드 대사 물질의 농도가 검출 한계 아래로 보다 쉽게 감소할 수 있습니다. 운동 선수가 검출을 회피하기 위해 은폐제와 이뇨제를 사용할 수도 있습니다5. 이는 테스트를 관리하는 데 또 다른 부담으로 작용합니다.
반도핑기구들은 이러한 문제점과 함께 방지 노력에도 불구하고 경기력 향상 약물이 계속 사용되고 있다는 사실을 알고 있었습니다. 1990년대 초, 외인성 약물이 없더라도 테스토스테론과 그 전구 물질 및 대사 물질의 농도와 비율이 소변에서 명확하게 안정적인 상태를 유지하며 단백동화남성화 스테로이드가 이 안정적인 수치에 지속적인 영향을 미친다는 사실이 연구 결과 밝혀졌습니다. 그러나 연구원들은 이러한 비율의 비정상적인 값 검출을 공식화하기 위해 2007년 베이지안 추론을 채택했습니다. 이러한 비율과 혈액학적 측면이 선수생체수첩(ABP)을 구성합니다. 이 수첩은 경기력 향상 약물에 대한 검출 성능을 높일 수 있는 강력한 벤치마킹 도구입니다.
미래의 경기력 향상 약물에 대한 모니터링 기술 발전
체외 생물검정은 안드로겐 검출을 위한 또 다른 유망한 비표적화 방식입니다. 이 방법은 안드로겐 반응 요소를 조절한 상태에서 세포를 리포터 단백질로 교체함으로써 그 소스에 관계없이 안드로겐 수용체 활성화를 검출할 수 있습니다6. 따라서 최근 몇년 동안 운동선수들이 금지된 약물을 실수로 섭취하게 만든 식이 보조제의 경우처럼 알려지지 않은 구성의 샘플에서 안드로겐을 생물검정 방식으로 쉽게 검출할 수 있습니다. 비표적화 생물 작용 기반 검출 방법을 더 개발함으로써 연구원들이 새로운 안드로겐 특성을 분석하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 이러한 안드로겐은 천연 스테로이드이거나 새로운 선택적 안드로겐 수용체 조절자의 일부일 수 있으며 테스토스테론과 구조적으로 다르고 대사 작용으로 이해되지 않습니다7(그림 3).
그림 3. 남용된 잘 알려진 선택적 안드로겐 수용체 조절자(SARM)의 화학 구조.
요약
올림픽 경기뿐만 아니라 개인의 도핑 스캔들이 계속될 것이라는 점은 의심의 여지가 없는 사실이며 경우에 따라서는 소속 조직의 지시도 있을 것입니다. 이는 엘리트 스포츠의 명백한 속성입니다. 검출을 회피하기 위해 디자이너 약물을 사용하는 경우 해당 화합물은 당연히 안전성에 대한 임상적 테스트가 이루어지지 않았을 것이며 선수 건강이 위험에 처하게 됩니다. 그러나 스포츠 단체가 약리학을 활용한 창의적인 노력을 계속 기울이면서 과학계 역시 반도핑 기관에 경기력 향상 약물을 검출하는 데 필요한 지식과 분석 능력을 제공할 것입니다. 이러한 능력을 극대화함으로써 도핑을 최소화하고 스포츠를 통한 건강을 촉진하며 공정성의 가치를 유지하는 데 도움이 될 수 있을 것입니다.
참고 문헌
1. Donike, M., Nachweis von exogenem Testosteron. Dt. Ärzte-Verl.: Köln, 1983; p S. 293-298.
2. Polet, M.; Van Eenoo, P., 일반 도핑 관리 업무에서의 GC-C-IRMS: 3년 간에 걸친 약물 테스트 데이터, 품질 관리 및 방법의 혁신. Anal Bioanal Chem 2015, 407 (15), 4397-409.
3. Schänzer, W.; Opfermann, G.; Donike, M., 스타노졸롤 대사: 소변 대사 산물의 식별과 합성. J Steroid Biochem 1990, 36 (1-2), 153-74.
4. Catlin, D. H.; Sekera, M. H.; Ahrens, B. D.; Starcevic, B.; Chang, Y. C.; Hatton, C. K., 테트라하이드로게스트리논: 발견, 합성 및 소변 내 검출. Rapid Commun Mass Spectrom 2004, 18 (12), 1245-049.
5. Alquraini, H.; Auchus, R. J., 운동 선수가 단백동화남성화 스테로이드 도핑 검출과 제재를 피하기 위해 사용하는 방법. Molecular and Cellular Endocrinology 2018, 464, 28-33.
6. Lund, R. A.; Cooper, E. R.; Wang, H.; Ashley, Z.; Cawley, A. T.; Heather, A. K., 디자이너 안드로겐의 비표적화 검출: 체내 생물검정의 과소평가된 역할. Drug Testing and Analysis 2021, 13 (5), 894-902.
7.Thevis, M.; Schänzer, W., 도핑 관리 분석에 있어 SARM 검출. Molecular and Cellular Endocrinology 2018, 464, 34-45.
