다기능성 화장품: '만능' 제품의 개발

CAS Science Team

Colorful background with laboratory utensils, samples of cosmetics and glass vials on pink background.

화장대 위에 수많은 제품을 늘어놓고 오랜 시간 공을 들여 화장을 하는 시대는 지났습니다. 모든 것이 빠르게 진행되는 현대 사회에서, 소비자들은 하나의 제품으로 여러 효과를 얻을 수 있는 방법을 찾고 있습니다.

이제 다기능성 화장품의 시대가 열렸습니다.

보습, 안티에이징, 잡티 개선 효과가 있는 스킨케어 제품이든 부스스함 방지 및 손상모 케어 효과가 있는 인샤워 컨디셔닝 헤어 마스크든 상관없이, 화장품에 대한 소비자들의 기대치가 그 어느 때보다 높습니다. 소비자의 요구가 커지면서, 화장품 업계는 여러 가지 고민을 한 번에 해소할 수 있는 제품을 계속해서 만들어내야 한다는 압박감에 시달리고 있습니다.

조제자는 나노기술 같은 새로운 전달 시스템과 키토산, 리그닌 같은 다기능성 성분에 대한 최근 개발 사항을 숙지하여 이 빠르게 변화하는 까다로운 시장에 계속해서 혁신적인 제품을 선보일 수 있습니다.

핵심 성분

유기농, 바이오화장품, 건강한 컨셉, 배양 접시 위에 놓인 식물과 화장품

화장품 업계에서 다기능성 화장품을 제조하기 위해 사용할 수 있는 유용한 도구 중 하나가 바로 '핵심 성분'입니다. 이러한 성분은 다양한 이점을 동시에 제공하므로 몇 가지 성분만으로 다양한 고민을 해소할 수 있는 제형을 만들 수 있습니다.

몇 가지 일반적인 화장품의 핵심 성분은 다음과 같습니다.

성분 핵심 효과
시어버터 소염 
항산화
안티에이징
코코넛 오일 피부 장벽 복구
항균
소염 
항산화
안티에이징
상처 치유
나이아신아마이드 소염
항균
항산화
가려움 억제
카페인 발모 촉진
미세순환 개선
UV 차단
항산화 
프로폴리스 살균소독
소염
항산화
항균
상처 치유

더 적은 성분을 사용하는 '클린 화장품'에 대한 소비자들의 관심이 커지면서, 하나의 성분으로 화장품에 관한 모든 요구를 충족시키고 싶은 사람들에게 핵심 성분은 굉장히 매력적인 투자 대상입니다. 이러한 성분은 제형을 만드는 데 도움이 될 뿐 아니라 많은 사람들에게 '내추럴' 또는 '클린' 제품으로 분류되고 있어 마케팅 측면에서 확실한 이점을 제공합니다.

막강한 힘을 가진 하이드레이터

듬뿍 펴 바른 크림과 투명한 페이스 세럼 방울, 영양분이 풍부한 보습 성분

하이드레이터는 가장 다재다능한 화장품 성분 중 하나입니다. 이 성분은 피부, 모발, 손톱 보습 효과를 주기 위해 자주 사용되며, 이러한 모든 신체 부위의 보습을 위한 다목적 제품을 개발하는 데 사용할 수 있습니다. 최근에는 보습 세럼과 오일을 핸드 크림, 페이스 모이스처라이저, 바디 모이스처라이저, 그리고 헤어 컨디셔닝 마스크로 사용할 수 있는 단일 제품으로 판매하고 있습니다.

보습 성분은 신체의 여러 부위를 보습하는 것 외에도 다양한 용도로 사용이 가능합니다. 예를 들어 안티에이징, 항산화, 항균 효과를 제공하는 다기능성 화장품에 사용할 수 있습니다. 시어버터와 코코넛 오일 같은 식물성 오일은 화장품 업계에서 널리 사용되고 있습니다. 그러나 새로운 연구에서는 키토산을 새롭게 주목받는 성분으로 꼽았습니다.

키토산은 피부와 모발에 사용 가능하며 보습 및 보호 효과가 있습니다. 키토산은 다음과 같은 효과를 제공한다고 알려져 있습니다.

  • 보습 효과
  • 피부 진정 효과
  • 항균 효과
  • 스킨 컨디셔닝
  • UV 차단
  • 항산화 효과

뛰어난 항산화제

유기농, 바이오화장품, 건강한 컨셉, 여러 병과 식물들

항산화 효과가 있는 키토산시어버터, 코코넛 오일, 나이아신아마이드, 그리고 프로폴리스와 같이 주된 화장품 성분으로 자리잡게 될 것입니다. 이러한 성분은 각기 다른 다기능성을 가지기 때문에 항산화 효과가 있는 화장품을 제조할 때 다양한 선택지를 제공합니다.

최근 주목을 받고 있는 또 다른 항산화 화장품 성분은 바로 리그닌입니다. 사탕수수 같은 천연 물질에서 추출하는 리그닌은 고유한 항산화 효과를 제공하며, 이러한 특성을 화장품에 적용할 수 있습니다. 2023년에 진행한 연구에서는 리그닌이 화장품 표준을 기준으로 다른 성분과 동일하거나 약간 더 우수한 수준의 활성 산소 제거 능력을 보유한 것으로 밝혀졌습니다. 또한 이 연구에서는 리그닌을 천연 화장품 안료와 UV 차단제로 사용할 수 있다고 밝히며 미래의 핵심 성분이 될 가능성이 크다는 사실을 강조했습니다.

우수한 자외선 차단 효과

여름철 바닷가와 자외선 차단제

리그닌의 잠재적인 UV 차단 효과는 항산화 효과보다 더 뛰어난 것으로 알려져 있습니다. 시험관과 자원봉사자들을 대상으로 진행한 연구에서 강력한 UV 차단 효과를 보여준 리그닌은 UV 차단 다기능성 화장품의 미래에 큰 도움이 될 기회를 제공합니다. 자외선 차단에 대한 중요성이 대두되면서, 소비자들은 다른 피부 관련 고민도 해결해 주는 SPF 제품을 찾고 있습니다.

또 다른 연구에서는 로즈마린산을 자외선 차단제 제형에 추가하였는데, 그 결과 SPF 효과가 41% 증가하고 항산화 효과도 더해졌습니다. SPF가 포함된 다기능성 화장품 제형의 주된 장애물 중 하나가 바로 새로운 성분을 추가했을 때 해당 제품의 자외선 차단 효과가 떨어지면 안 된다는 것인데, SPF 효과를 높이고 다른 이점까지 제공하는 로즈마린산 같은 성분이 제형 부문에 아주 큰 변화를 불러올 것입니다.

탁월한 잡티 개선 효과

얼굴용 세럼과 오일이 들어 있는 여러 개의 피펫

 

잡티 개선 제품은 보통 피부 보습, 상처 치유, 항산화 효과를 비롯해 여러 가지 기능을 함께 제공해야 합니다. 소염 및 항균 작용을 하는 성분은 여드름을 억제하는 데 도움이 되고, 상처 치유 및 피부 장벽을 복구하는 성분은 흉터를 줄이는 데 도움이 됩니다. 잡티 개선 성분은 이러한 방식으로 하나의 주된 목적을 달성하기 위해 다양한 기능을 함께 제공해야 합니다.

화장품 업계에서 광범위한 항균 및 소염 성분이 활용되면서, 제조자들은 여러 활성 성분 중 원하는 것을 선택할 수 있습니다. 일반적으로 알로에베라, 위치하젤, 살리실산, 과산화벤조일, 레티놀을 잡티 개선 제품에 사용하는데, 모이스처라이저 같은 제품에 항균 및 소염 효과를 더해줍니다.

하지만 핵심 성분만 중요한 것은 아닙니다. 혁신적인 성분 전달 방식을 마련하면 핵심 성분의 효능과 지속성이 증가합니다. 최근에는 피부와 접촉했을 때 활성 성분을 천천히 방출할 수 있는 화장품용 여드름 방지 성분의 나노기반 전달 시스템이 개발되었는데, 이 시스템을 사용했을 때 항균 및 항산화 효과가 증가했습니다.

최고의 제형

햇빛을 받아 아름답게 빛나는 세럼 병

소비자들이 사용하는 화장품의 수를 계속해서 줄이고 있는 오늘날, 화장품 업계는 전에 없이 수준 높고 다재다능한 제형을 만들어야 한다는 과제에 직면하고 있습니다. 핵심 성분을 최대로 활용하여 화장품 제형에 더 많은 기능을 담으면 개발자가 이러한 목표를 달성하고 다기능성 화장품의 새로운 흐름을 주도하는 데 도움이 됩니다.

제조자는 키토산과 리그닌 같은 전도유망한 핵심 성분에 투자하여 제품 개발을 진전시키고 나노기술을 사용하는 새로운 전달 시스템을 채택해 기존 성분에서 전례 없이 많은 기능을 확보할 수 있습니다. 또한 다기능성 화장품에 대한 최신 연구 결과를 끊임없이 확인함으로써 계속해서 혁신적인 개발을 지원하고 소비자의 기대치를 뛰어넘는 화장품을 선보일 수 있습니다.

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식물성 고기의 지속 가능성을 통한 환경 보전

CAS Science Team

Close-up of burgers on table

소비자들이 개인적인 사유와 건강에 맞춰 식단을 바꾸고 지속 가능성이 뛰어난 식사를 추구하는 사회적 흐름이 자리잡으면서, 지난 몇 년간 식물성 고기를 찾는 사람들이 급증했습니다. 이 부문에서 이루어지는 혁신은 계속해서 대체육의 품질을 높이고 전에 없이 많은 선택지를 제공하는데, 이에 따라 시장은 점점 더 세분화되고 경쟁도 치열해지고 있습니다.

식물성 고기의 지속 가능성은 이러한 제품에 대한 대중의 관심을 높이는 가장 큰 동인 중 하나이므로, 소비자들은 좋아하는 음식을 먹는 일을 포기하지 않고도 고기 섭취량을 줄이고 환경에 미치는 영향을 줄이는 데 도움이 될 대안을 찾고 있습니다. 제조업체들은 어떻게 맛과 식감에 대한 소비자들의 높은 기대치에 부합하는 지속 가능성이 뛰어난 양질의 제품을 제공할 수 있을까요?

식물성 대체육의 지속 가능성

지속 가능한 자연 방사식으로 기른 수탉이 새벽에 우는 모습

축산업이 환경에 미치는 부정적인 영향은 오래 전부터 연구를 통해 잘 알려진 사실입니다. 가축과 축산업계가 배출하는 온실가스는 전 세계 온실가스의 약 15%를 차지합니다. 2031년까지 이러한 배출량이 9% 더 증가할 것으로 예측되는 가운데, 고기에 대한 수요를 줄일 수 있는 해결책을 찾는 것이 그 어느 때보다 중요해졌습니다.

이러한 해결책 중 하나가 바로 식물성 고기입니다. 탄소 배출량 측면에서 보았을 때, 식물성 고기가 고기보다 최대 120배 더 뛰어난 효율을 자랑합니다. 2021년에 진행한 연구 결과 식물성 패티는 소고기 패티보다 기후 변화에 주는 부담이 77% 더 적었으며 이용하는 토지와 용수의 양이 더 적고 부영양화, 산성화 현상이 줄어들었습니다.

식물성 고기의 지속 가능성에 대한 주된 비판은 바로 대체육의 지속 가능성이 자연식물식의 식단만큼 지속 가능하지는 않을 수 있다는 것입니다. 이러한 비판은 일리가 있지만, 고기를 먹는 사람들에게는 자연식물식 식단으로 전환하는 것보다 대체육이 지속 가능한 식단으로의 전환을 더 용이하게 합니다.

식단 전환하기

여성, 비건, 대체육, 밀키트

현재 기후 위기에 대한 우려가 팽배하고 유축농업이 환경에 어떠한 영향을 미치는지 널리 알려져 있음에도 불구하고, 아직도 많은 소비자들이 식단에서 고기를 제외하는 것을 어려워합니다. 지속 가능성을 높이고 싶다는 마음만으로 고기의 섭취량을 줄이거나 고기 섭취를 끊어내게 하는 데는 어려움이 있습니다. 식물성 고기는 대체품이 이러한 난제를 해결할 수 있는 완벽한 방안을 제시합니다.

혁신가들은 맛과 식감이 고기와 유사한 식물성 제품을 개발함으로써 소비자들에게 고기와 자연식물식의 이점을 모두 제공할 수 있습니다. 채식으로 완전히 전환하고 싶지는 않은 소비자들이 대체육을 많이 찾고 있기 때문에 제조업체들은 유연한 채식을 지향하는 이러한 고객을 대상으로 설정하는 것이 중요합니다. 배스대학교의 조사에 따르면, 식물성 고기와 유제품을 섭취하는 사람들의 90%가 여전히 고기를 식단에 포함시키고 있었습니다.

섭취하는 고기의 일부를 식물성 대체육으로 바꾸면 지속 가능성을 높일 수 있다고 생각하는 소비자들이 많아지고 있는데, 이러한 제품이 정말로 의미있는 지속 가능성을 제공할까요? 연구 결과에 따르면 그렇다고 합니다. 아주 작고 실천하기 쉬운 계획이지만, 이러한 변화가 환경에 아주 큰 영향을 미치게 됩니다. 한 연구 결과에 따르면 독일에서 소비하는 고기의 5%만 완두콩 단백질로 대체하면 연간 온실가스 배출량을 800만 톤이나 줄일 수 있습니다.

제조업체들은 이러한 방식으로 친환경적인 미래로 향하는 제대로 된 길을 만들어낼 수 있으며, 대다수의 사람이 더 쉽게 받아들일 수 있습니다. 또한 계속해서 혁신을 거두고 자사 제품의 지속 가능성을 높임으로써 환경에 관심이 많은 소비자들의 이목을 끌고 식물성 고기의 지속 가능성에 대한 투자를 지속적으로 장려할 수 있습니다.

식물성 단백질 선택

작은 녹색 채소의 파종

새로운 대체육을 개발할 때 가장 중요한 것은 바로 활용할 식물성 단백질을 선택하는 것입니다. 단백질원은 제품의 맛과 식감, 영양 성분, 지속 가능성에 영향을 미치며, 제조업체는 이러한 모든 영역에서 소비자의 마음을 사로잡아야 합니다. 소비자의 수요가 크게 증가하면서, 2030년까지 식물성 단백질 시장의 규모는 $1,620억에 달할 것으로 예상됩니다. 오늘날 이 방대한 업계에는 혁신가들이 선택할 수 있는 다양한 단백질원이 존재하며 그중 현재와 미래의 단백질원으로 자리를 잡은 식재료는 다음과 같습니다.

이미 상용화된 단백질원 대두

완두콩
떠오르는 단백질원(1~3년 내에 특정 소비자층을 대상으로 상용화될 예정) 옥수수

병아리콩
개발 중인 단백질원(3~5년 내에 특정 소비자층을 대상으로 상용화될 예정) 균류
카놀라
미래의 단백질원(약 5년 뒤에 특정 소비자층을 대상으로 상용화될 예정) 조류
세포 대체제

가격이 저렴하고 공급량이 준수하고 영양가가 높은 대두, 밀, 완두콩 단백질원은 해당 업계에서 최초로 상용화된 식물성 단백질입니다. 이러한 이점을 기반으로, 옥수수, 쌀, 병아리콩, 균류, 카놀라를 비롯한 새로운 단백질원들은 제품 개발을 위한 기능성 개선에 초점을 맞추고 있습니다. 그러면 개발자들이 더 큰 제어권을 가지고 소비자가 원하는 맛과 식감을 가진 제품을 만들어 낼 수 있습니다.

여기서 한발 더 나아가, 조류와 세포 대체제 같은 미래의 단백질원은 가장 높은 수준의 지속 가능성을 확보하는 것을 목표로 삼고 있습니다. 여전히 식물성 단백질에 대해 회의감을 가지는 소비자들이 존재하지만, 식물성 단백질은 재생 가능성이 더 높고 환경에 미치는 영향이 매우 적어 식물성 고기의 지속 가능성을 높여 줍니다.

향후 식물성 고기의 지속 가능성

나무 테이블 위에 놓인 다양한 간식과 맛있는 채식 요리를 위에서 바라본 모습

식물성 대체육은 향후 지속 가능성 측면에서 상당히 중요한 역할을 합니다. 고기를 먹는 사람들이 식습관을 바꾸지 않고 쉽게 고기 섭취량을 줄일 수 있는 방안인 대체육은 훨씬 더 많은 사람들이 고기 섭취량과 환경에 미치는 영향을 대폭 줄일 수 있도록 도와 줍니다.

이러한 환경적 변화를 위해서는 기업들이 고기의 맛, 식감, 외형을 최대한 똑같이 재현하는 매력적인 제품을 개발해야 합니다. 더 많은 지속 가능한 식물성 단백질원에 대한 연구가 진행되고 있어 식물성 고기의 인기는 앞으로도 계속해서 증가할 것으로 예상됩니다. 지속 가능한 농업과 탄소 배출량 감소에 도움이 되는 새로운 비료 관련 접근법에 대해 좀 더 자세히 알아보려면 지속 가능한 농업에 대한 최신 기사를 읽어 보십시오.

R&D 통찰력: 미래를 위한 지속 가능한 촉매제

CAS Science Team

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친환경 촉매제부터 시작되는 그린 케미스트리라는 이 새로운 분야에서 최근 어떤 일이 일어나고 있을까요? 촉매제는 산업체, 규제 기관 및 R&D 실험실에서 필수 불가결한 요소이며 CAS의 최신 요약본에서는 새로운 기회와 과제, 혁신을 소개합니다. 촉매제는 에너지부터 농업과 제약 분야까지 산업 전반에 걸쳐 지속 가능성 지표를 개선하는 데 있어 필수 요소일 수 있습니다.

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거대 언어 모델(LLM)의 과학 연구 적합성

Philippe Ayala , Data Science Technical Manager

Senior chemistry professor writing on the board

AI 도구와 전문 분야에서 클수록 항상 다 좋은 것은 아닌 이유

ChatGPT는 2022년 출시와 함께 AI 관련 논의를 재정의했습니다. 이 거대 언어 모델(LLM)은 거의 모든 것이 가능한 존재로, 작업 혁신, 도시의 활력 부활과 같은 긍정적인 측면부터 인간의 직업을 대체한다는 부정적인 영향까지 기적이자 위협으로 묘사되었습니다.

ChatGPT와 GPT-3/GPT-4의 차이점은 무엇일까요?

ChatGPT와 이름에 숫자가 포함된 GPT-(즉 GPT-3 또는 GPT-4)인 LLM은 그 자체로 중요한 차이가 있습니다. 용어가 헷갈릴 때도 있고 같은 의미로 사용되기도 하지만 ChatGPT는 보다 복잡한 LLM(GPT-3 또는 GPT-4)에서 실행되는 "사용하기 쉬운" 인터페이스를 갖춘 챗봇 앱입니다.

GPT-3와 GPT-4는 GTP(Generative Pre-Trained Transformer) 모델 시리즈의 서로 다른 버전입니다. 트랜스포머는 언어 모델로 알려진 신경망의 한 유형입니다. 이들 모델은 학습을 통해 문장의 단어와 같은 느슨한 구조의 데이터에서 패턴과 컨텍스트를 인식합니다. 트랜스포머는 특히 이 기능이 우수합니다. 생성형 모델은 컨텍스트를 토대로 프롬프트에서 임의로 긴 출력을 생성할 수 있습니다. GPT 모델은 이 두 가지 유형의 모델을 결합합니다.

반면에 ChatGPT는 GPT-3 또는 GPT-4와 같은 LLM에서 실행되는 앱입니다. 이전 대화를 계속할 수 있는 메모리 모듈이 있으며 필터, 분류기 등이 내장되어 유해하거나 부적절한 답변을 최소화합니다.

chat-gpt-LLM

LLM을 구축하려면 무엇이 필요할까요?

LLM은 대단합니다. GPT-3는 1750억 개 매개변수, 또는 모델이 학습을 통해 독립적으로 변경할 수 있는 값을 갖습니다. GPT-4는 2023년 출시된 GPT 시리즈의 최신 버전이며 1조 개의 매개변수로 크기가 훨씬 더 큽니다. 사용해본 사람이라면 누구나 이 모델의 지식 범위가 믿을 수 없을 정도로 방대하며 일관성 있는 정보를 생성할 수 있는 놀라울 정도로 우수한 성능을 갖고 있다고 생각할 것입니다.

그러나 이러한 기능에는 당연히 비용이 수반됩니다. 이처럼 거대한 GPT 모델을 트레이닝하고 ChatGPT와 같은 앱을 배포하는 데는 엄청난 엔지니어링 작업이 필요합니다. GPT-3는 구축 비용이 460만 달러, 클라우드에서 운영하는 데 연간 최소 87,000 달러가 필요한 것으로 추정됩니다. GPT-4 또한 개발 비용만 1억 달러 이상이 소요될 것입니다.

이러한 비용 이외에도 하드웨어와 운영 리소스, 데이터 센터 냉각 시설 또한 막대한 비용을 요합니다. 데이터 센터가 수십 억 갤런의 물을 사용하고 냉각 시설이 에너지 사용과 함께 탄소를 배출하기 때문에 조직은 이 강력한 도구를 사용하는 데 있어 그 비용과 이점을 평가해야 합니다. LLM은 이러한 선행 비용과 지속적인 비용으로 인해 대부분의 민간 기업, 학계 및 공공 부문 조직에 엄청난 비용 부담을 야기하며 모델의 규모와 성능이 증가하면서 그 부담은 더 커질 것입니다.

LLM의 한계

트랜스포머 모델은 특정 구조 요소로 인해 다른 입력 간 관계를 캡처하며 최신 LLM은 방대한 양의 샘플 텍스트로 인해 텍스트 조각이 갖는 방대한 의미를 추출하고 텍스트 요소 간 관계를 추적하는 기능이 뛰어납니다. GPT-3와 같은 생성형 모델은 한 단계 더 높은 성능으로 질문과 답변의 관계를 추적하는 방법을 학습했습니다. 그 결과는 설득력이 있는 경우가 많습니다. ChatGPT에 0과 100 사이의 숫자를 맞춰보도록 문제를 내거나 콜레스테롤이 스테로이드인지 여부를 물어보면 올바른 답변을 얻을 가능성이 높습니다.

그러나 과학 연구와 같은 전문 분야의 경우 거대 언어 모델은 광범위한 의미를 넘어 섬세한 차이가 있는 특정 정보를 이해하기 어렵습니다. 그 이유는 무엇일까요? 첫째, LLM은 “잘못된 데이터를 입력하면 잘못된 결과를 얻게 된다"는 문제에 노출되어 있습니다. 둘째, 트레이닝 데이터의 품질이 우수하더라도 관련 트레이닝 정보가 충분하게 표시되지 않을 수 있습니다.

LLM은 광범위하고 자주 설명되는 주제는 잘 포착하지만 범위가 좁은 전문적인 주제는 대부분 충분하게 표시되지 않아 올바르게 처리될 가능성이 낮아집니다. 예를 들어, 거대 언어 모델이 올바른 추출 수준으로 특정 항목이 스테로이드 분자인지 여부를 판별할 수 있습니다. 거대 언어 모델은 같은 군의 두 스테로이드 분자도 인식할 수 있지만 특정 분자의 독성 여부는 일관적으로 인식할 수 없습니다. 거대 언어 모델의 구분 능력은 트레이닝에 사용된 데이터와 올바른 정보를 인식하여 "기억"했는지 여부에 따라 결정됩니다. 잘못되거나 상충되는 정보의 바다에 숨겨져 있었다면 모델이 올바른 답변을 제시할 수 없습니다.

더 많은 데이터, 더 명확한 데이터, 더 큰 모델로 문제를 해결할 수 있다고 생각할 수도 있습니다. 맞는 말일 수도 있지만 생성형 LLM에 0과 100 사이의 난수를 묻는다면 어떻게 될까요? 그 숫자가 실제로 무작위하다고 확신할 수 있을까요? 이 질문에 답하려면 어휘 의미론과 기억된 사실, LLM을 넘어 AI 에이전트가 필요합니다. 에이전트는 검증된 절차를 사용하여 실행 가능한 코드를 구성하고. 다른 프로세스로 전달하여 결과를 처리한 후 사용자에게 다시 답변을 제시합니다.

과학 데이터의 특정 과제

CAS의 동료들이 알고 있듯이 과학 데이터는 텍스트보다 훨씬 복잡하며 대부분의 문제는 하나 또는 두 개의 질문으로 표현할 수 없습니다.

과학 연구에 AI 기반 도구를 사용하는 경우 스스로에게 "어떤 문제를 해결하려고 하는지" 물어보아야 합니다. 많은 문제가 언어 또는 느슨한 구조의 시퀀스와 관련이 있으므로 언어 모델이 완벽하게 들어맞습니다. 표 형식 데이터, 범주형 데이터, 지식 그래프, 시계열은 어떨까요? 과학 연구에는 이러한 형태의 데이터가 필요하지만 LLM이 항상 활용하기 쉬운 것은 아닙니다. 이는 LLM만으로는 분자 연구와 같은 분야에 필요한 수준의 특이성을 제공할 수 없음을 의미합니다. 대신, 오케스트라가 조화로운 소리를 내기 위해 다양한 악기가 필요한 것처럼 과학에도 일관성 있는 결과를 얻기 위해서는 AI 툴박스에 여러 도구가 필요합니다.

깊이와 범위를 위한 시스템 접근

LLM만으로 과학 연구에 적합하지 않다면 어떤 것이 적합할까요? 바로 전문적인 결과를 얻기 위해 여러 유형의 모델을 사용하는 시스템 접근법입니다. 언어 모델과 신경망에 전통적인 머신 러닝 도구, 지식 그래프, 화학정보학, 생물정보학 및 TF-IDF와 같은 통계 방법을 더함으로써 연구원들은 AI 기반 프로그램에 심도 깊고 섬세한 정보를 포함 시킬 수 있습니다.

이러한 도구는 신약 분자 개발 또는 새로운 화합물 발명과 같은 작업에 필요한 결과를 제공할 수 있습니다. 지식 그래프가 특히 유용한데, 분자, 반응, 공개된 문헌, 통제된 개념 등 알려진 독립체를 안정적으로 연결하는 실측 자료로써 유용하기 떄문입니다. 이상적인 사용 사례는 정확성을 검증하는 지식 그래프와 함께 "특정 유형의 물질"이라고 말할 수 있는 심층 신경망을 활용하는 것입니다. 이것이 바로 과학 연구에 필요한 신뢰할 수 있는 사실 정보를 얻을 수 있는 방법입니다.

이러한 유형의 시스템 접근은 기본적인 데이터 신뢰성 개선을 위한 사실 확인 또는 검증 기능이며 전문 분야에서 효과가 입증되고 있습니다. 예를 들어, Nvidia는 최근 이미지의 캡션을 제공하거나 관련 질문에 답하도록 설계된 비전 언어 모델인 Prismer를 발표했습니다. 이 모델은 여러 가지 작은 하위 모델을 트레이닝하는 "전문가 조합" 접근법을 사용합니다. 이 모델의 지식 깊이는 대규모 트레이닝 없이 양질의 결과를 제공했으며 이는 10 ~ 20배의 데이터에서 트레이닝된 모델의 성능과 일치합니다.

Google 또한 범용 "교사" 언어 모델에서 더 작은 "학생" 모델로 지식을 추출하는 유사한 접근법을 사용하고 있습니다. 학생 모델은 깊이 있는 지식으로 인해 대형 모델보다 더 나은 정보를 제공합니다. 7억 7000만개의 매개변수로 트레이닝된 하나의 학생 모델이 전문 추론 작업에서 5400억 개의 매개변수 교사를 능가했습니다. 소형 모델은 트레이닝 시간이 더 걸리지만 지속적인 효율성 개선은 비용이 적게 들고 실행 속도가 더 빠르다는 점에서 가치가 있습니다.

과학 연구 개선

성공적인 시스템 접근의 또 다른 예는 제가 동료와 함께 CAS에서 개발한 PaSE(Patent Similarity Engine)로, CAS STNextCAS SciFinder의 고유한 기능을 지원합니다. 이 모델은 브라질 국립 산업 재산 연구원(INPI), 즉 브라질 특허청과의 협업으로 개발되었습니다. 이 모델은 거대한 양의 정보를 몇 분 내에 처리하도록 설계되어 연구원들이 계속되는 특허 적채 문제를 해결할 수 있습니다.

이 솔루션은 GPT 제품군과 같은 중요한 머신 러닝 기법을 사용하는 언어 모델을 포함하지만 지식 그래프, 화학정보학, 전통적인 정보 검색 통계 방법 등 추가 학습 유형도 더해집니다. PaSE는 CAS Content CollectionTM 내 전체 텍스트 특허, 논문과 같은 전 세계 과학 모델을 트레이닝함으로써 수동 검색보다 50% 더 빠른 속도로 "선행 기술"을 발견하는 데 필요한 깊이와 범위를 확보했습니다.

특허청에서 존재하지 않는 것을 입증하는 것은 극히 어려운 일입니다. "증거의 부재가 부재의 증거는 아니다"라는 격언을 생각해 보십시오. 데이터 과학자는 전문 특허 검색자, 브라질 INPI 팀, 40% 더 적은 수동 검색으로 선행 기술을 파악한 AI 도구의 고유한 조합과 함께 모델을 트레이닝하고 최적화했습니다. PaSE는 이러한 성능과 특허 적채 감소를 인정 받아 2021년 Patent Information Users GroupStu Kaback Business Impact Award를 수상했습니다.

과학에서 거대 언어 모델의 미래

결과적으로, LLM은 과학 연구 분야에서 앞으로 계속 중요한 역할을 하겠지만 일반적인 생각과 달리 이 한 가지 도구가 모든 문제 또는 질문의 만병통치약은 아닙니다.

이 모델은 집안에서 어질러진 방이나 옷장, 다락방을 정리한다고 생각하면 됩니다. 사람에 따라 공간의 물건을 구성하는 방법은 다릅니다. 모든 것을 색상별로 정리하는 사람도 있고 모든 귀중품을 한 곳에 모아 보관할 수도 있고 기능별로 구성할 수도 있습니다. 틀린 방법은 없지만 원하는 또는 필요한 조직의 유형이 아닐 수도 있습니다. 이는 정보를 특정 방식으로 구성할 수 있는 LLM의 문제일 뿐 과학자 또는 연구원들에게 필요한 방식은 아닙니다.

사용자에게 단백질 염기서열, 특허 정보 또는 화학 구조와 같은 구체적인 결과가 필요한 전문 분야의 경우 AI 기반 모델이 특정 방식으로 정보를 조직하고 처리할 수 있도록 트레이닝해야 합니다. 이 모델은 데이터, 결과, 변수를 사용자가 최적의 트레이닝과 예측을 위해 원하는 방식으로 구성해야 합니다.

해당 데이터가 미치는 영향과 표현, 과학 예측을 향상시킬 수 있는 모델에 대해 자세히 알아보려면 CAS Custom Services의 사례 연구를 확인해 보십시오. AI 및 화학 분야의 새로운 동향을 자세히 알고 싶으신가요? 화학 분야에서 AI를 활용할 수 있는 기회에 대한 최신 백서를 읽어보거나 AI로 전 세계 특허청의 생산성을 향상시킬 수 있는 방법에 대한 CAS 리소스를 살펴보십시오.

바이러스 퇴치부터 종양 추적까지: mRNA 백신을 활용한 암 치료

CAS Science Team

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전 세계적으로 증가하고 있는 암에 대한 부담

인구의 고령화가 진행되고 암 관련 주요 위험인자의 분포와 유병률이 변하면서 전 세계적으로 암과 관련 사망률에 대한 부담이 빠르게 증가하고 있습니다. 또한 2040년에는 암 진단 사례가 284만 건에 달할 것으로 예측되는데, 2020년과 비교했을 때 무려 47%나 증가한 수치입니다.

여성 유방암의 경우 폐암을 넘어 가장 많이 진단된 암으로 나타났으며, 2020년 신규 환자 수가 약 230만 명(11.7%)에 달했고 폐암(11.4%), 대장암(10.0 %), 전립선암(7.3%), 위암(5.6%)이 그 뒤를 이었습니다. 면역 관문 억제제 같은 면역 치료는 암 치료 가능성을 크게 높여 주는 획기적인 기술입니다. 하지만 면역 치료가 모든 암을 치료하는 만병통치약은 아닙니다. 모든 종양이 면역치료제에 반응하는 것은 아니며, 내성 기전 때문에 종양의 면역 회피 현상이 발생하거나 종양이 커지기도 합니다.

비록 현재 미국식품의약국에서 승인한 mRNA 암 백신은 존재하지 않지만, 면역 관문 억제제인 펨브로리주맙(Merck)과 함께 임상시험용 백신 mRNA-4157-P201(Moderna)에 대한 혁신 치료제로 지정되어 완전절제술 후 고위험 흑색종의 보조 치료와 관련된 연구가 진행되고 있습니다. mRNA COVID-19 백신의 성공으로, 연구원들은 암 세포 치료에 mRNA 백신 기술을 활용할 수 있다고 믿고 있습니다. 그렇다면 머지않아 mRNA 요법을 암 치료에 활용할 수 있게 되는 것일까요?

 새로운 가능성 — mRNA 백신과 암

많은 사람들의 눈에는 COVID-19 mRNA 백신이 하룻밤 사이에 개발된 것처럼 보일 수 있습니다. 하지만 수년간의 연구로 독감, 거대세포바이러스, 지카 백신을 위한 토대를 마련하지 않았다면 이러한 백신의 신속한 설계와 제조, 테스트는 불가능했을 것입니다.

1995년에 진행한 주요 연구에서는 네이키드 RNA 부호화 암배아 항원을 쥐의 근육 안에 주사했을 때 항원 특이성 항체 반응을 이끌어 낼 수 있었습니다. 그다음 해에 진행한 또 다른 연구에서는 mRNA 감염 수지상 세포를 종양이 있는 쥐에게 주사했을 때 T세포 면역 반응이 나타나면서 해당 종양의 성장이 억제되는 것을 확인할 수 있었습니다. 이러한 결과를 토대로 수많은 연구들이 mRNA 기반 기술의 실현 가능성과 효과, 안전성을 조사하기 시작했습니다. 그러나 최근까지도 불안정성, 선천적인 면역원성, 그리고 비효율적인 체내 전달 방식으로 인해 mRNA 백신의 활용도와 치료 응용 부문이 제한적이었습니다. 따라서 연구원들은 mRNA 염기서열을 인체에 주사할 때 일종의 방어 체계 없이도 외부 물질로 인식되어 파괴되는 일 없이 mRNA를 특정 목적지까지 전달해야 한다는 주요 과제에 직면하게 되었습니다.

신종 코로나바이러스 SARS-CoV-2의 치료를 위한 mRNA 백신이 신속하게 개발되면서 기초연구에서 임상 방식(bench to bedside)의 mRNA 백신 사용 속도가 빨라졌습니다. 예를 들어, Pfizer-BioNTech 백신과 Moderna 백신은 지질 나노입자(LNP)를 활용하여 mRNA를 표적 세포로 전달하는 방식이 얼마나 효율적인지 보여 주었습니다. 2019년 말에는 SARS-CoV-2가 빠르게 확산되면서 mRNA 치료법에 대한 논문과 특허 출원 수가 전 세계적으로 급증하였습니다. 2020년 이후에는 동일한 주제를 다루는 논문들이 급격하게 많아졌으며, 2021년에는 3,361개, 2022년에는 약 5,000개까지 그 수가 증가했습니다. 특허 출원 수는 2020년 이후에도 상향세를 이어 나가고 있으며 2021년에는 특허의 수가 382개에 달했고 2022년에는 510개까지 증가한 것으로 추정하고 있습니다(그림 1).

MRNA 치료법 관련 학술지와 특허 그림1
그림 1. mRNA 치료법 및 백신 관련 전 세계 학술지(왼쪽)와 특허 패밀리(오른쪽) 간행물 동향.

COVID-19 mRNA 백신의 성공은 mRNA 플랫폼이 다른 전염병 뿐만 아니라 암에도 활용될 수 있다는 가능성을 제시하였습니다. 바이러스 연구 결과, 암 백신 개발도 가능할 것이라는 전망이 나오고 있습니다.

면역 체계 강화 — mRNA 암 백신의 작용 기전

mRNA는 암 백신 분야에서 다양하게 활용할 수 있는데, 연구원들이 암의 면역 치료를 위해 다음과 같은 여러 전략을 탐구하고 있습니다.

  • 항원 제시: mRNA 백신이 주조직적합성 복합체 I형과 II형을 나타내기 위해 암 항원을 항원 제시 세포(APC)에 전달합니다. 
  • 보조 기능: mRNA가 APC로 발현된 패턴 인식 수용체에 결합되어 면역 활성화를 자극합니다. 
  • 항원 수용체: mRNA가 키메라 항원 수용체(CAR)와 T세포 수용체와 같은 항원 수용체를 림프구에 도입합니다. 
  • 단백질 생산: mRNA를 통해 톨유사 수용체, 케모카인 수용체, 공동자극분자, 사이토카인, 케모카인, 그리고 다양한 단클론 항체 형식을 포함하는 레날리도마이드 단백질을 여러 세포 아집단으로 발현할 수 있습니다.

mRNA를 통한 암 치료가 곧 실현될 수 있을까요?

Genentech, CureVac, Moderna 같은 기업들이 표적 종양에 대한 면역 반응을 이끌어낼 수 있는 부호화 네오에피토프를 보유한 mRNA 백신을 개발하고 있습니다. 수십여 건의 임상 시험에서 췌장암, 대장암, 흑색종 같은 다양한 유형의 암을 보유한 환자와 관련해 mRNA 백신을 단일 치료제 또는 병용 치료제의 일부로 테스트하고 있습니다. 여러 후보가 임상 2상에 진입하였으며, 흑색종, 비소세포폐암, 전립선암에서 우수한 효과를 보였습니다(표 1).

표 1. 암 임상 시험 단계에 있는 mRNA 백신(2상 이상) 

백신
이름
CAS Registry
Number®
대상
질병
항원 기업
Autogene Cevumeran  2365453-34-3 흑색종,
대장암
 
환자 맞춤형
신생항원
BioNTech
mRNA 4157 2741858-84-2 흑색종 최대 34개의 신항원 Moderna
BNT 113 2882951-85-9 PV16+ 두경부 편평상피암 HPV16 기반 종양 항원(종양단백질 E6 및 E7) BioNTech
CV 9202 1665299-76-2 비소세포폐암 NY-ESO-1, MAGE C1, MAGE C2, TPBG(5T4), 서바이빈, MUC1 CureVac
CV 9103 2882951-83-7 전립선암 네 가지 전립선암 관련 항원 조합 CureVac
SW 1115C3 2882951-82-6  비소세포폐암, 식도암 환자 맞춤형 신생항원 Stemirna Therapeutics
BNT 111  2755828-88-5  흑색종 네 개의 흑색종 관련 항원 조합 BioNTech

mRNA 암 백신이 연구 커뮤니티 내에서 관심을 받는 동안, 오래 전부터 대다수의 종양학 연구는 mRNA 치료법을 중심으로 진행되어 왔으며, 다음을 포함하여 다양한 후보들이 임상 개발 단계에 접어들고 있습니다(표 2)

  • TriMix-MEL(eTheRNA 면역 치료): 암에 대항하는 주요 면역 세포를 활성화하는 세 가지 mRNA의 조합입니다. 
  • mRNA 치료법(BioNTech): 여러 암에서 발현되는 단백질인 클라우딘 18을 표적으로 삼는 단클론 항체를 부호화합니다. 
  • LNP 캡슐화 mRNA(MedImmune LLC): 종양 안에 주사하는 방식으로 투약하며 국소적인 인터류킨-12(IL-12) 생산을 주도하고 항종양 면역성을 유도합니다. 

표 2. 암 임상 시험 단계에 있는 mRNA 치료제

mRNA 약물 이름 CAS 등록 번호 대상 질병  기업
TriMix-MEL, ECL-006, E011-MEL 2877674-59-2 흑색종 eTheRNA 면역 치료
BioNTech-1, BNT 141, BNT-141, BNT141 2877707-22-5 고형 종양 BioNTech 
BNT-142, BNT142  2877707-34-9 고형 종양 BioNTech 
BNT-151, BNT151 2877709-82-3  고형 종양 BioNTech 
BNT 152, BNT152 2877709-92-5 고형 종양 BioNTech 
BNT 153, BNT153 2877709-93-6 고형 종양 BioNTech 
MEDI1191, MEDI-1191 2877712-03-1 고형 종양 Moderna
mRNA-2752 2878461-50-6 고형 종양 Moderna
SAR-441000 2879301-17-2 고형 종양 Sanofi, 
BioNTech 
SQZ-eAPC-HPV 2879306-51-9 HPV 및 고형 종양 SQZ Biotechnologies

mRNA 암 백신 실현

최근 몇 년간 mRNA 암 기술 분야에서는 여러 가지 큰 발전을 이루어냈지만, 아직까지도 근본적인 과제들이 남아 있습니다. 우선, mRNA 암 백신은 특정 포장과 전달 시스템이 필요하며 표적 조직/기관에 대해 적합한 수준의 친화성이 있어야 합니다. 현재 연구원들이 이러한 목표를 달성하기 위한 접근법을 평가하고 있으며, 기관 표적형 성분을 올리고뉴클레오타이드에 결합하는 방식도 고려하고 있습니다. mRNA의 전달 수단으로 LNP가 가장 많이 연구되긴 했으나, 세포 독성에 대한 우려와 상대적으로 짧은 순환 시간 때문에 임상 적용 단계가 지연되고 있습니다. 따라서 mRNA 약리물질의 생체이용률, 부하, 방출을 개선하기 위해 이를 대체할 다양한 스마트 전달 시스템(예: 엑소좀)을 평가하고 있습니다.

mRNA 약리물질을 성공적으로 전달하는 것만으로는 부족합니다. 연구원들은 효과를 극대화하기 위해 체내 단백질 발현율을 높일 수 있는 접근법을 조사하고 있습니다. 캡, 5′ 및 3′ 부위, 개방형 해독틀, 폴리아데닐화된 꼬리를 포함한 mRNA의 모든 부분을 최적화하여 단백질 발현율을 높일 수 있습니다. 화학적으로 변성된 뉴클레오시드가 이 영역에서 높은 가능성을 보였습니다.

발현되는 단백질의 양 외에도 mRNA 백신은 상대적으로 짧은 단백질 생산 기간을 반드시 극복해야 하는데 이를 위해 약물의 반복 투여가 필요합니다. 현재 RNA의 수명과 총 단백질 생산량을 늘리기 위해 자가 증폭형 mRNA와 원형 mRAN을 활용하는 전략을 탐구하고 있습니다.

아직도 갈 길이 멀지만 mRNA 백신은 다양하게 활용 가능한 임상 수단이며, 단독으로 사용하거나 면역 관문 억제제 같은 기존의 치료법과 함께 사용하여 여러 유형의 암을 치료할 수 있는 가능성을 보이고 있습니다. 모두가 하루빨리 최초의 mRNA 치료법이 출시되기를 기다리고 있지만, 전 세계가 느끼는 암에 대한 부담을 줄이기 위해 여러 혁신적인 전략의 관점에서 결과를 탐구하는 것 또한 흥미로운 과정이 될 것입니다.

mRNA 백신과 치료법에 대해 좀 더 자세히 알아보려면 ACS Pharmacology and Translational Science에서 상호 심사를 거친 학술지 간행물을 읽어 보십시오.

 

 

제약 기술로 비만을 극복할 수 있을까요?

Terra Williams , CAS Content Scientist

male hands holding insulin pen

 

     


 

 

 

 

주간 체중 감량 약물인 Wegovy를 홍보하는 밝은 녹색 광고가 뉴욕 지하철 곳곳을 덮고 있습니다. Ozempic은 유명 인사들이 Ozempic 파티를 주최한다는 루머로 헤드라인을 장식했습니다. Mounjaro는 최근 FDA 승인을 받은 약물 중에서도 전 세계적으로 인기가 높은 제품으로 소셜 미디어의 주목을 받고 있습니다.

원래 2형 당뇨 치료제로 개발된 GLP-1 수용체 길항물인 Ozempic, Wegovy(모두 Novo Nordisk 제품)와 복합약인 Mounjaro(Eli Lilly 제품)는 체중 감량제로서의 잠재적인 이점을 노리는 고객들의 수요 증가로 재고 부족 사태를 경험했습니다. 비만은 전 세계 인구의 약 1/3에 영향을 미치는 세계적인 문제로, 2035년까지 비만율이 50%를 넘어설 것으로 예상하고 있습니다. 이는 관상동맥 심장병, 고혈압, 2형 당뇨와 같은 다양한 질병 위험의 증가로 이어집니다.

이처럼 증가하는 위기에 대응하기 위해, GLP-1 수용체 길항물과 GIP 유사체 및 관련 치료법과의 결합 잠재력이 비만과 관련 질병의 유망한 치료 옵션으로 떠올랐습니다. 이러한 과학적 접근법 간의 차이와 체중 감량의 미래를 이해하는 것이 이 분야의 혁신을 한 단계 더 발전시키는 데 중요합니다.

인체는 당을 어떻게 처리하고 혈당량을 어떻게 조절하나요?

인체는 혈당을 균형 있게 유지할 수 있는 기능이 있습니다. 혈당이 낮아지면 췌장의 알파 세포가 글루카곤 호르몬을 생성하며 간에서 당을 더 많이 만들어 혈류로 보내도록 지시합니다. 혈당이 높아지면 췌장의 베타 세포가 인슐린을 생성해 인체가 지방과 근육은 물론 간과 다른 인체 조직에서 당을 사용 또는 저장하는 데 도움을 줍니다.

가스트린 억제 폴리펩티드(GIP)와 글루카곤 유사 펩타이드-1(GLP-1)는 모두 장에서 분비되는 호르몬으로, 인슐린 생성 조절에 중대한 역할을 하므로 비만과 당뇨에서 중요한 의미를 갖습니다. 인슐린은 혈당량을 균형 있게 유지하는 데 꼭 필요합니다. 혈당이 낮아지면 췌장의 알파 세포가 글루카곤 호르몬을 생성하며 간에 당을 더 많이 만들도록 지시합니다. 혈당이 높아지면 췌장의 베타 세포가 인슐린을 생성하여 인체가 에너지를 사용 또는 저장하는 데 도움을 줍니다.

GIP는 인슐린과 글루카곤 생성을 활성화하고 인슐린 생성 세포를 세포사로부터 보호하면서 동시에 증식을 촉진합니다. GLP-1은 췌장에서의 인슐린 분비를 활성화하며 동시에 글루카곤 분비를 억제합니다.

비만을 약물로 어떻게 관리할 수 있나요?

현재 당뇨와 비만을 관리할 수 있는 약물은 여러 가지가 있습니다. 세마글루타이드(제품명: Ozempic, Wegovy)와 같은 GLP-1 수용체 길항물은 GLP-1의 작용을 모방하여 인슐린 생성을 활성화합니다. 티르제파타이드(제품명: Mounjaro)는 GLP-1 수용체 길항물과 GIP 유사체를 결합합니다. GLP-1 수용체 길항물은 세포 내 글루카곤 유사 펩타이드-1 수용체와 결합되며 GIP 유사체는 GIP의 기능을 모방합니다. 두 물질 모두 인슐린 생성을 활성화합니다. 최근 개발된 신약, 레타트루타이드는 GIP, GLP-1 및 글루카곤 길항물로, 조기 임상 시험에서 유용한 결과를 제공하고 있습니다.

다음은 체중 감소 효과가 기대되는 약물과 GLP-1 수용체 길항물의 요약 정보입니다.

    1.  세마글루타이드(제품명: Ozempic, Wegovy)와 같은 GLP-1 수용체 길항물

    2.  병용 요법

           a.    1.  티르제파타이드(제품명: Mounjaro)와 같은 GLP-1 및 GIP 수용체 길항물

           b.    레타트루타이드와 같은 GLP-1, GIP 및 글루카곤 수용체 길항물

체중 감소 약물 이면의 과학

GLP-1 및 GIP 수용체를 활성화하면 체내 당 대사와 지질 대사가 증가합니다. 대사가 증가하면 식욕과 소화율이 감소하며 동시에 비만을 줄이고 비만 관련 질병의 위험을 낮출 수 있는 기능이 향상됩니다. 주요 효과는 다음과 같습니다.

  • 인슐린 분비: 혈당이 높아지면 GLP-1과 GIP가 췌장 베타 세포의 인슐린 분비를 활성화할 수 있습니다. 이 경우, 결과적으로 혈당이 낮아집니다.
  •  
  • 위 배출: GLP-1과 GIP는 위에서 장까지 음식의 이동 속도를 늦출 수 있습니다. 이는 포만감을 길게 유지하여 식욕과 칼로리 섭취를 줄이는 데 도움이 됩니다.  
  • 식욕 조절: GLP-1과 GIP는 배고픔과 포만 신호를 제어하는 뇌 영역에 영향을 미칠 수 있습니다. 이는 배고픔을 적게 느끼고 포만감을 줌으로써 식욕과 음식 섭취를 줄이는 데 도움이 됩니다.  

병용 요법의 중요성

병용 요법에서 고려해야 할 중요한 요인이 시너지입니다. 시너지는 여러 약물을 병용하는 데 따른 효과가 각 약물의 개별 효능의 합계보다 큰 경우를 의미합니다. 약물 치료에서 GLP-1 수용체 길항물과 GIP 유사체를 병용할 경우 중요한 점은 두 주요 호르몬 중 하나가 아닌 두 분자 경로가 모두 영향을 받는다는 것입니다. 세마글루타이드와 같은 단일 요법 약물의 경우 인체와 쥐를 대상으로 한 시험에서 일부 약물 효과에 대해 내성이 생기는 것이 밝혀졌습니다. 병용 요법은 여러 경로가 표적이 되므로 약물의 효과에 내성이 생기지 않도록 방지하는 데 도움이 됩니다. 병용 요법에서 고려해야 할 또 다른 요인은 복용량입니다. 병용 요법은 일반적으로 개별 약물의 복용량이 적어 특정 부작용을 방지할 수 있습니다.

임상 시험과 실제 결과는 어떻게 나타나나요?

여러 임상 시험에서 GLP-1 수용체 길항물과 GIP/GLP-1 수용체 길항물 병용 요법이 위약 또는 기타 치료와 비교할 때 당뇨 및/또는 비만 환자의 체중을 크게 감소시킬 수 있다는 결과가 도출되었습니다.  

New England Journal of Medicine에서는 세마글루타이드티르제파타이드의 효능을 강조한 주목할 만한 연구가 발표되었습니다. 1961명의 참가자를 대상으로 세마글루타이드 2.4mg과 식이조절 및 운동을 병행한 이중 맹검 연구 결과, 68주 동안 참가자 중 절반이 체중의 15%가 감소하는 효과를 보였으며 참가자 중 1/3은 체중의 20%가 감소했습니다. 반대로 생활 습관에만 변화를 준 위약 그룹은 체중의 2.4%가 감량되었습니다. 2539명을 대상으로 티르제파타이드 5mg, 10mg, 15mg을 복용한 그룹과 생활 습관에 개입한 그룹을 나눈 다른 연구에서는 티르제파타이드를 복용한 각 그룹별로 15%, 32%, 36%의 참가자가 25% 이상 체중이 감소했습니다. 생활 습관에만 개입한 그룹 중 체중이 감소한 비율은 1.5%에 불과했습니다.

2형 당뇨 환자를 대상으로 티르제파타이드와 세마글루타이드를 비교한 연구에서는 티르제파타이드 복용 환자 중 82 ~ 86%의 당화혈색소 수치가 7% 미만으로 감소한 반면 세마글루타이드 복용 환자의 수치는 79%에 그처 티르제파타이드의 효능이 더 큰 것으로 나타났습니다.

또한 GLP-1, GIP, 글루카곤과 같은 표적 결합 약물에서 더 눈에 띄는 영향을 확인했습니다. Eli Lilly의 최근 2상 임상 시험 결과에서는 참가자의 평균 체중 감소율이 약 24%로 나타났습니다. 규모가 더 큰 3상 임상 시험에서도 같은 결과가 나타난다면 Eli Lilly의 체중 감소 약물 포트폴리오가 더욱 크게 확장될 수 있을 것입니다.

GLP-1 수용체 길항물과 GIP 기반 치료법의 인기와 영향력

Ozempic은 미디어 광고에 힘입어 미국 내 처방률이 급증하고 있습니다. 지난 해 Ozempic 처방은 111% 증가했으며 2017년 승인 이래로 2형 당뇨 치료제 시장을 선도하는 약물로 자리매김했습니다(그림 1). 주로 2형 당뇨 치료제로 처방되는 Ozempic은 2023년까지 Wegovy 부족으로 인해 만성 체중 관리 목적으로도 사용되고 있습니다.

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그림 1: 약물별 처방 횟수

티르제파타이드는 2022년 5월, Mounjaro라는 제품명으로 미국에서 승인을 받았으며 2023년 1분기에 5억 3760만 달러의 수익을 Eli Lilly에 가져다 주었습니다. 이 약은 비만 관리 치료제로 미국 FDA 패스트트랙 승인을 받으면서 유사 효능을 가진 세마글루타이드와의 경쟁이 예상됩니다.

학술 간행물 트렌드와 특허 분석

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그림 2. CAS Content Collection™의 세마글루타이드 관련 학술지 및 특허 간행물의 연간 트렌드 

CAS Content Collection에서 세마글루타이드 관련 간행물을 검색한 결과, 2019년에서 2022년 사이에 간행물이 두 배 넘게 증가한 것으로 나타났습니다. 세마글루타이드 관련 특허 또한 2011년 2건에서 2022년 109건으로 증가했습니다. 특히 체중 감소 관리 측면에서 세마글루타이드 연구에 대한 관심이 커지면서 간행물 수는 더 증가할 것으로 예상됩니다.

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그림 3. CAS Content Collection™의 티르제파타이드 관련 학술지 및 특허 간행물의 연간 트렌드

CAS Content Collection에 따르면 최근 10년 동안에는 신약인 티르제파타이드의 간행물 수가 많지 않았습니다. 그러나 학술지 간행물의 경우 2021년 34건에서 2022년 72건으로 증가했습니다. 이 기간에는 티르제파타이드와 관련된 특허도 증가했습니다. 티르제파타이드에 대한 더 많은 임상 시험이 완료되고 체중 감소 관리 효능에 대한 FDA 승인을 받으면서 간행물 수가 급증할 것으로 예상됩니다.

파이프라인 분석

당뇨와 체중 감소를 위한 신약 개발은 활발한 연구가 진행되고 있는 분야로, Novo Nordisk가 파이프라인에 경구용 세마글루타이드 의약품을 배치한 임상 시험의 다양한 단계에 여러 유망한 후보가 포함되어 있습니다. 경구용 세마글루타이드는 아직 1상 단계이며 당뇨 관리를 위한 25mg, 50mg 세마글루타이드는 3상 단계에 있습니다. 또한 당뇨 치료를 위한 경구용 GLP-1/GIP 병용 치료에 대한 2상 시험도 현재 진행 중입니다. 티르제파타이드는 현재 비알코올성 지방간염(NASH) 치료를 위한 2상 시험 단계에 있으며 박출률 보존 신부전(HFpEF), 폐쇄성 수면 무호흡증, 비만 질병률 및 사망률, 심혈관 추출물에 대한 3상 시험이 진행 중입니다. 티르제파타이드는 만성 비만 치료를 위한 패스트트랙 지정과 함께 규제 승인이 멀지 않은 상황입니다. Eli Lilly는 또한 1상 시험 단계에 있는 당뇨 치료를 위한 GIP/GLP 상호 작용제 펩타이드를 보유하고 있습니다.

향후 전망

비만과 2형 당뇨 환자가 전 세계적으로 계속 증가하면서 GLP-1 수용체 길항물과 GIP 기반 치료법에 대한 높은 기대와 함께 관련 간행물과 파이프라인 개발 또한 증가하고 있습니다. 이 치료법의 성공과 영향력은 임상 시험에서 보고된 긍정적인 결과와 참가자 수 증가에서도 알 수 있습니다. 체중 감소 관리에 대한 다음 연구 분야는 Mounjaro와 같은 최신 의약품을 포함하는 병용 요법과 레타트루타이드의 조기 시험이 될 것입니다. 이러한 의약품은 인체의 자연스러운 호르몬 반응을 활용하여 체중 감소 및 대사 조절에 대한 새로운 접근법을 제시할 뿐 아니라 다른 질병 치료에도 영향을 미치게 될 것입니다. 새로운 치료법과 주요 발전 현황에 대해 자세히 알아보려면 RNA 치료법, 엑소좀, 지질 나노 입자 등에 대한 CAS의 심도 깊은 통찰력 보고서를 살펴보십시오.  

 

 

바이오소재 분야의 상위 열 가지 최신 트렌드

CAS Science Team

Colorful Checked Vector Pattern

중국 항저우의 서호 대학교와 함께 작성한 이 CAS Insights 보고서에서는 생물학적 시스템과 상호작용하는 바이오소재의 미래를 재정의하고 있는 하이드로젤, 항미생물제, 지질 나노입자, 엑소좀 등의 최신 동향을 다룹니다. 이 보고서에서는 바이오소재와 관련이 있는 여러 업계 및 분야의 새로운 기회와 최신 트렌드 및 주요 과제에 대해 설명합니다. 자세한 내용은 아래의 상세 보고서에서 알아보십시오.

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노화의 재해석: 노화 방지 치료 전략의 잠재력 살펴보기

Rumiana Tenchov , Information Scientist, CAS

Senior couple doing Tai Chi outdoors

인간은 오래 전부터 노화 과정에 큰 흥미를 보여 왔으며 노화 과정을 이해하고 방지하기 위한 노력을 기울여 왔습니다. 예를 들어, 고대 중국 의술에서는 건강과 장수에 도움을 주기 위해 한방 치료와 침술를 고안했습니다. 식이 제한으로 생쥐와 쥐의 수명을 늘릴 수 있다는 사실이 밝혀진 1930년대에 주요 이정표에 도달했습니다. 20세기의 획기적인 추가 연구에서는 유전학 및 세포 노화와 같은 요인의 역할을 탐구했습니다.

CAS는 노화 생리학 및 노화 방지 전략과 관련된 500,000건이 넘는 과학 논문(주로 학술 간행물과 특허)을 확인했습니다. 이러한 논문은 지난 10년 동안 적극적인 연구가 진행되면서 꾸준히 증가해 왔습니다(그림 1).

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그림 1 — CAS Content Collection™에서 노화 메커니즘 및 노화 방지 전략과 관련된 문서(특허 및 비특허 포함) 건수의 연간 증가 현황.

노화 방지 연구 추세가 둔화되고 있다는 징후는 보이지 않고 있습니다. 세계보건기구(WHO)에서는 2050년까지 전 세계 60세 이상 인구가 20억 명을 초과할 것으로 예상하고 있습니다. 고령 인구가 증가하는 이 인구 통계학적 변화로 인해 노화 관련 질환을 해결하고 건강한 노화를 촉진하기 위한 노화 방지 연구에 대한 관심과 투자가 폭발적으로 증가했습니다. 국제 연합(UN) 총회에서는 건강 수명을 늘리고 고령자의 삶의 질을 개선할 수 있는 방안을 찾기 위한 글로벌 협력 촉진 프로그램인 UN 건강한 노화 10년(2021–2030)을 공표했습니다.

노화는 다양한 만성 질환의 주요 요인이며 전반적인 건강과 웰빙에 초점을 맞춰 "성공적인 노화"를 촉진하는 데 관심이 커지고 있습니다. 이 자료에서는 노화 과정을 들여다 보면서 성공적인 노화와 수명을 늘린다는 목표로 다양한 노화 방지 방안을 살펴봅니다. 이러한 노화 방지 치료 전략 중 성공적인 노화를 촉진하는 데 있어 가장 전망이 밝은 것은 무엇일까요?

노화: 단순한 피부의 변화가 아닙니다

"노화 방지(anti-aging)"라는 용어는 종종 주름살이나 피부 처짐과 같은 눈에 띄는 피부 노화를 떠오르게 하는 경향이 있습니다. 사회적, 심리적 영향으로 인해 피부 노화에 대한 연구가 광범위하게 진행되고 있습니다. 신체의 가장 큰 기관인 피부는 환경 요인으로부터 신체를 보호하는 중요한 역할을 합니다. 나이가 들면서 이러한 기능을 이행하는 피부 능력이 떨어져 전반적인 건강에 영향을 미칠 수 있습니다. 피부 노화는 자연적인 과정이지만 피부 노화를 늦추고 피부 건강을 유지하는 조치를 취할 수 있습니다. L'Oreal, Amorepacific 등의 기업을 포함한 화장품 및 스킨케어 업계는 이 분야에 상당한 관심을 보이면서 수많은 특허를 보유하고 있습니다. 이러한 제품은 히알루론산이나 비타민 E와 같이 피부 표층에 영향을 주는 성분을 함유하고 있습니다.

노화 과정은 실제로 피부 표면에서 확인되는 것보다 훨씬 더 복잡합니다. 노화는 원활한 신체 기능을 유지하기 위해 스스로를 방어하고 유지, 복원하는 살아 있는 유기체의 본질적인 능력의 점진적인 기능 저하라고 폭넓게 정의할 수 있습니다. 는 노화가 미치는 영향에 특히 민감해 크기와 혈관 구조 및 인지 능력이 변하게 됩니다. 따라서 나이가 들면서 알츠하이머병과 같은 특정 신경 장애가 발생할 위험이 높아집니다.

노화는 또한 신체 전체에 영향을 미치는 생리학적 건강의 점진적인 손실을 유발해 기능 저하와 취약성 증가로 이어집니다. 암, 당뇨병 및 심혈관 질환과 같은 심각한 질병의 직접적인 원인이 노화만은 아니지만 이러한 질병 원인 등 다양한 건강 이상에 중요한 위험 요인으로 작용합니다. 결과적으로 이와 같은 연관성이 인정받으면서 노화 연구가 급속도로 증가하게 되었습니다.

노화의 징표

노화는 기본적으로 시간이 지남에 따라 손상이 누적되는 것을 뜻하며 노화의 징표라고 알려진 특유의 생리적 변화가 나타납니다. 2013년, 미래 연구의 골조가 될 분자 및 세포 측면의 노화 징표 아홉 가지를 정의했습니다. 이러한 징표에는 유전체 불안정성, 텔로미어 소모, 후생유전적 변이, 단백질 항상성 손실, 이상 조절된 영양소 감지, 미토콘드리아 기능부전, 세포 노화, 줄기 세포 고갈, 세포간 연락 변경 등이 있습니다(그림 2).

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그림 2 — 현재 고려 중인 노화 징표 구조와 해당 분류.

문제를 더 복잡하게 만드는 것은 다양한 노화 징표가 서로 연결되어 있으며 서로에게 영향을 미칠 수 있다는 점입니다(그림 3). 실제로 이러한 징표는 너무 복잡하게 뒤얽혀 있어 일부 연구원들은 노화를 각각 다른 생물학적 규모의 네 개의 계층에서 작동하는 과정으로 간주해야 한다고 제안합니다. 하지만 노화를 고려할 때, 이러한 다른 징표들 간의 관계를 이해하면 노화 관련 질환의 효과적인방지 또는 치료 방안을 개발하는 데 도움이 될 수 있습니다.  

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그림 3 — 노화 징표들 간 상관 관계.

노화 방지 치료 전략을 가장 촉진하는 요소는 무엇일까요?

노화 징표를 표적으로 다양한 노화 방지 전략을 탐구했으며, 그중 많은 전략이 다중 징표를 표적으로 진행되었습니다(그림 4). 여기서는 다중 징표 방지 전략 다섯 가지와 가장 잠재력이 있는 방안을 결정하기 위해 각 접근법에 대한 현재 근거를 간략히 소개합니다.

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그림 4 — 노화 방지 전략과 노화 징표 간 관계 노화 방지 전략으로 신체 활동 활용

신체 활동은 모든 노화 징표와 관련해서 세포 수준에서 상당한 노화 방지 효과를 보이는 것으로 나타났습니다. 노화 징후 방지 방안으로 신체 활동 활용에 대한 연구가 잘 확립되어 있고 임상 시험에서도 긍정적인 결과를 보이고 있습니다. 현재 진행 중인 주목할 만한 임상 시험에서는 신체 활동이 알츠하이머병, 불안정 보행, 인지 기능 및 외상 후 스트레스 장애에 미치는 영향을 살펴보고 있습니다(표 1).

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표 1 — 신체 활동 노화 방지 임상 시험.

 

식단 조절을 통한 노화 방지 전략

최근, 식이 제한과 간헐적인 단식 등 두 가지의 식단 조절이 장수의 중요한 요소인 기본적인 대사 및 세포 신호 전달 경로에 영향을 미쳐 건강한 신경계 수명을 효과적으로 늘려주는 것으로 보고되었습니다. 이 접근법이 동물 모델에서 성공적이라는 것이 입증되었지만, 식이 제한은 확고한 투지와 자기 통제가 요구되기 때문에 인간에게 적용하기는 어려운 전략입니다. 그 대안으로 ‘식이 제한 모방 물질’을 사용해서 비슷한 효과를 얻는 전략이 꼽히고 있습니다. 신체 활동처럼 식이 제한은 많은 연구가 이루어진 노화 방지 치료 전략으로, 현재에도 여러 건의 임상 시험이 진행되고 있습니다(표 2).  

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표 2 — 식이 제한 노화 방지 임상 시험.

대사 조정을 통한 노화 방지 전략

mTOR(mammalian Target Of Rapamycin) 신호 전달 경로는 세포 성장과 확산을 늘리는 주요 세포 과정과 영양분 감지를 연관짓는 세포 대사의 중요한 요인으로 알려져 있습니다. 노쇠부터 노화 관련 근감소증까지 다양한 증상을 살펴보는 노화 방지 임상 시험에서 라파마이신과 같은 제제를 사용한 mTOR 억제가 폭넓게 연구되었습니다(표 3)

 

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표 3 — mTOR 억제 노화 방지 임상 시험.

노화 세포 표적 치료를 통한 노화 방지 전략

노화 세포 표적 치료에는 노화 및 노화 관련 병리학과 관련된 조건인 세포 노화를 표적으로 한 잠재적인 치료제 및 접근법 개발이 포함됩니다. 연구원들은 여러 노화 세포 표적 치료 전략을 연구하고 있습니다. 특히 흥미로운 약리학 전략은 다양한 노화 관련 장애를 유발하는 노화된 세포를 선택적으로 제거할 수 있는 작은 분자, 즉 세놀리틱스를 사용하는 것입니다. 이 방식으로 노화 세포를 표적으로 하는 것은 이미 임상 시험에서 평가 중에 있습니다(표 4).

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표 3 — 노화 세포 표적 치료 노화 방지 임상 시험.

세포 리프로그래밍을 통한 노화 방지 전략

세포 수준에서 시간을 되돌리는 것이 가능할까요? 세포 리프로그래밍은 최종 분화된 성숙 세포를 유도 만능 줄기 세포로 변환해 세포 수준에서 시간을 되돌리는 것을 목표로 합니다. 이 방식으로 세포를 리프로그래밍하면 미토콘드리아 기능 장애, 텔로미어 소모, 후성 유전체 변화, 유전체 불안정성, 노쇠 등의 다양한 노화 징표를 효과적으로 개선할 수 있습니다. 연구가 여전히 초기 단계에 있기는 하지만 이 접근법은 임상 전 모델에서 가능성을 보여 주었습니다.

급증하고 있는 고령 인구 문제에 대처하기 위해, 노화 방지 연구를 통해 나이가 들어가는 방식을 변화시켜 전반적인 웰빙을 향상시키고 더 건강하고 더 활기찬 글로벌 커뮤니티를 만들어 나갈 것입니다.

흥미롭고 역동적인 노화 방지 연구에 대해 자세히 알아보려면 여기에서 최근 CAS 학술지를 확인해 보십시오.

 

 

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