초록 ▼

Ⅳ. 연구 결과
1. NAMs 정의
· 넓은 의미에서, In silico 접근법, 그리고 In chemico와 In vitro 평가방법뿐만 아니라 유해성이라는 측면에서 화학물질의 노출로부터의 정보를 포함 US Environmental protection agency (US EPA) 전략보고서에서 NAMs는 화학적 유해성 및 위해성 평가에 대한 정보를 제공하는 데 사용될 수 있는 비 동물 기술, 방법론, 접근법 또는 이들의 조합을 폭넓게 서술하는 용어로 채택됨. 미국 독성물질 관리법(TSCA)의 목적을 위해 이 새로운 용어

Ⅳ. 연구 결과
1. NAMs 정의
· 넓은 의미에서, In silico 접근법, 그리고 In chemico와 In vitro 평가방법뿐만 아니라 유해성이라는 측면에서 화학물질의 노출로부터의 정보를 포함 US Environmental protection agency (US EPA) 전략보고서에서 NAMs는 화학적 유해성 및 위해성 평가에 대한 정보를 제공하는 데 사용될 수 있는 비 동물 기술, 방법론, 접근법 또는 이들의 조합을 폭넓게 서술하는 용어로 채택됨. 미국 독성물질 관리법(TSCA)의 목적을 위해 이 새로운 용어를 "척추동물을 줄이거나 정교화 또는 대체를 위한 대체 시험 방법 및 전략” 과 동의어로 인식하고 있다고 서술

2. NAMs 기술예시
현재 진행 중인 NAMs 기술을 활용한 연구는 각 항목을 목표로 수행 중에 있음
· 방법론의 진보
· 주요한 화학물질의 분류 이해
· 노출

3. NAMs 기술의 국내·외 활용 현황
1) Tox21, ToxCast, Chemical Dashbord 등 데이터베이스 활용기술
화학물질의 생산과 사용이 급속도로 증가하면서, US EPA와 FDA (Food and Drug Administration) 등의 정부기관은 수천 가지 화학 물질의 우선순위를 정하고 독성영향을 스크리닝하여 평가할 수 있는 신속하고 효율적인 방법이 필요하였음. 이에 로봇 공학 및 첨단 기술로부터 개발된 효율적이고 신속한 시험법을 통해 독성영향에 대한 빅 데이터를 생산하는 Tox21과 ToxCast 프로그램을 활용하고자 함

(1) 국외 현황
Tox21은 US EPA, NTP (National Toxicology Program), NCATS (National Center for Advancing Translational Sciences), FDA에서 공동으로 개발한 프로그램으로, 총8,599여 가지 화학물질의 독성 데이터가 존재하고, ToxCast는 US EPA에서 독성영향 예측을 위해 개발한 프로그램으로, 총 1,877여 가지 화학물질의 독성 데이터가 존재함. 또한 US EPA에서 개발한 Chemical dashboard는 화학물질의 구조와 물리화학적 특성에 대한 정보 제공해주는 프로그램으로, 잠재적인 건강 영향을 예측하는 데 사용됨. 현재 700,000개 이상의 화학물질에 대한 정보가 포함되어 있음
ToxCast/Tox21은 대부분 high-throughput In vitro assay을 활용하여 얻은 데이터베이스로 이루어져 있어 미국 EPA에서는 이 프로그램을 (1) 인체 위해성 평가를 위한 우선순위 물질을 선정 하거나 (2) Weight of Evidence (WoE)를 부여하는 데 활용하고 있고, 만성노출, 발달 또는 생식 독성 등 독성영향을 예측할 때 기초자료로 활용되고 있음

(2) 국내 현황
국내에서는 미국, 유럽과 같은 선진국에 비해 ToxCast 및 Tox21와 같은 빅데이터의 인프라가 부족하여 규제적으로 위해성평가에 활용되고 수행된 사례가 없음

2) High-throughput In vitro 스크리닝 기법
In vitro assay와 High-throughput screening (HTS) 기법을 통합한 분석기법으로, 평가대상물질과 생물학적 기질 (e.g., 세포 라인 및 단백질)을 많은 수의 well-plate (e.g., 96, 384 또는 1536 wells)에 넣어 분석하여 고속대량으로 독성 영향에 대한 빅데이터를 생성함. 로봇 공학, 데이터 처리 및 제어 소프트웨어 프로그램, 높은 감도의 검출 방법 등을 접목시켜 많은 화학 물질을 효율적으로 평가할 수 있음

(1) 국외 현황
현재 US EPA에서 활발히 연구하고 있는 In vitro 기법은 US EPA의 내분비계 장애영향 스크리닝 프로그램 (Endocrine Disruptor Screening Program, EDSP)의 사용을 위한 ToxCast 기반의 에스트로겐 수용체 (Estrogen Receptor, ER) Bioactivity 모델임. US EPA는 EDSP 모델뿐만 아니라 현재 High-throughput In vitro assay 기법이 적용된 ToxCastTM Androgen Receptor (AR)와 Steroidogenesis ToxCastTM (STR) and Thyroid (THY) bioactivity model도 연구 중에 있음

이 외에 Health Canada와 ECCC (Environment and Climate Change Canada)에서는 US EPA의 ER Model의 결과와 HTS 데이터를 위해성평가 지표로 활용하는 것에 관심을 기울이고 있음. 또한 OECD (Organisation for Economic Co-operation and Development)에서는 비 척추동물 기반의 In vitro 동물대체시험법을 OECD 가이드라인으로 인정해주고 있음

(2) 국내 현황
국내에서 화학물질에 대한 인체위해성평가를 수행할 때 급성, 만성, 피부자극 실험 등을 검증하기 위해서 동물대체시험법을 포함하는 OECD 가이드라인을 기반으로 시험. 현재 식약처에서 수행하는 화학제품에 대한 피부 자극 실험이나 국립환경과학원의 시험 고시 중 유전독성 등은 인체위해성평가를 위해 In vitro 시험을 수행하도록 명시하고 있음. 그러나, 선진국들에 비해서는 국내 실정에 맞는 고속 스크리닝과 대체시험법 기술이 부족하고 시험법의 검증이 필요함

3) In silico, In chemico 독성평가
(1) 국외 현황
· In silico 기법
In silico model은 위해성평가 우선순위 확인 (Identification of Risk Assessment Plan, IRAP) 과정에 적용 가능함. ECCC의 잔류성, 농축성 및 독성 물질 (Persistent, bioaccumulative and toxic substances, PBT)과 기전독성에 유용한 스크리닝 방법인 Chemical profiling software (ECCC의 Chemical Profiler)를 통해 화학물질에 의한 기전적 영향과 고용량 프로파일링 (High-potency profiling)을 수행함. Chemical profiling software에는 OECD QSAR (Quantitative structure-activity relationship) Toolbox (2015), the Laboratory of Mathematical Chemistry’s OASIS-CATALOGIC (2014), OASIS-TIMES (2015) 등의 모델들이 포함되어 있음. 또한 Health Canada는 Chemicals Management Plan (CMP)에 따라 인체건강위해성 평가의 데이터 지원을 위해 QSAR model을 적용하고 있음

· In chemico 기법
화학물질의 위해성 평가 중 피부 반복 또는 자극실험을 시행할 때, 기존에 토끼 또는 기니피크 동물모델을 활용한 기존의 피부자극 시험을 In chemico Skin sensitisation: Direct Peptide Reactivity Assay (DPRA, OECD TG 442C) 대체시험법 기술로 전환함. 이 외에 Skin irritation and corrosion, Serious eye damage and eye irritation과 같은 여러 피부자극에 대한 OECD 가이드라인 시험법이 동물대체시험 방법으로 전환되었음

(2) 국내 현황
국내에서도 DPRA, OECD TG 442C 시험법이 환경부 국립환경과학원의 고시 ‘화학물질의 시험방법에 관한 규정’의 제5장 건강영향 시험분야 및 식품의약품안전처의 식품의약품안전평가원에서 만든 ‘화장품 독성시험 동물대체시험법 가이드라인 (VIII)＇에 위 시험법이 포함됨

그러나, 4차 혁명 시대 도래와 함께 In silico와 In chemico 대체시험법 도입이 활성화되고 있지만 이러한 기술을 시험하고 활용할 수 있는 전문가가 부족하여 국내산업체 혹은 기관들에 동물대체시험법을 보급하고 방법론 및 사례를 소개하는 교육 워크샵 등이 2012년부터 지금까지 매년 개최되고 있음. 또한 혼합 물질 독성 및 위해성평가의 필요성 및 중요성, 평가를 위한 방법론 및 실험결과 등에 관한 논문과 보고서가 많이 게재되고 있음

4) 혼합독성
세계적으로 화학물질의 사용 및 합성, 제조량 증가에 따라, 인간과 환경은 다양한 경로를 통해 많은 종류의 화학물질에 동시에 노출되고 있음. 혼합물은 유형은 다음과 같이 세 가지로 나눌 수 있음 (Agency for Toxic Substances and Disease Registry (ATSDR), 2004)
· Intentional mixtures (의도적 혼합물) : 의도적으로 제된 혼합물 (e.g., 살충제 제형 또는 세탁 세재와 같이 규제되고 제조되는 제품)

· Generated mixtures (생성된 혼합물) : 제련, 음용수 소독, 연료 연소와 같은 공정 중에 발생하는 혼합된 부산물

· Coincidental mixtures (우연한 혼합물) : 발생원이 서로 다르고, 서로 다른 화학물질로 구성되어 있지만 동일한 수용체에 도달할 가능성이 있는 혼합물 EU에서는 인간과 환경에 미치는 혼합물질의 영향을 평가하고 관리하기 위해 EDC-MixRisk, EuroMix, EU-ToxRisk, HBM4EU, SOLUTIONS으로 총 5개의 팀으로 구성하여 FP7-H2020 연구 프로젝트를 진행하고 있음. 최근 미국, 유럽 등 선진국에서는 혼합물질에 대한 독성 및 위해성 평가에 대한 관심이 증가하고 있음

5) 통합 OMICS 데이터 생산
오믹스는 세포, 조직, 또는 기관에서의 분자적 변화를 일으키는 독성영향을 빠르고 정확하게 분석할 수 있어 다량의 독성 데이터를 각 생체 단계별로 프로파일링하는 분석기법. 최근 유럽 EFSA (European Food Safety Authority), ECHA (European Chemicals Agency), ECETOX (European Centre for Ecotoxicology and Toxicology of Chemicals)와 US EPA등의 주요기관에서 인체위해성평가에 활용 가능한 정략적 독성데이터 확보를 위해 OMICS tool 개발 및 활용 전략을 주제로 워크샵 개최를 진행하고 있음

6) 흡입독성 대체시험법
흡입독성대체시험으로는 In silico 및 In vitro시험법들이 제안됨. In silico의 경우 흡입독성 관련하여 확립된 시험법은 없으나 에어로졸 약제의 호흡기내 이동 경로와 전달을 연구하기 위한 In silico 모델 사례들이 있음. In vitro의 경우 폐조직을 구성하고 있는 대표적인 세포 (암세포, 불멸화세포, 1차 배양세포, 줄기세포)들을 이용한 단일배양 및 공동배양법이 있으며 2D배양에서 lung-on-a-chip 방법까지 다양한 배양법이 있음. 노출방법으로는 침습노출 (submerged), Air-Liquid Interface (ALI) 배양 후 침습노출법, ALI 장비를 사용한 노출 방법이 있음. 현재 흡입독성시험을 대체할 수 있는 재현성 높은 In vitro 모델은 2D와 organo culture이며, 고비용과 조작이 힘든 ALI 장비의 공급의 어려움으로 ALI 배양 후 침습노출법이 노출방법으로 많이 사용됨

그러나 흡입독성은 복잡한 해부학적 구조로 인해 대체시험법 개발이 매우 어려움. 국내에서 흡입독성에 대한 대체시험법 활용하기 위해서는 인체와 유사한 형태의 대체시험법 개발이 요구되고, 다양한 세포의 활용, 3D배양, organoid, lung-on-a-chip 개발이 필요함. 또한 AOP (Adverse Outcome Pathway) 기반의 통합적 독성 평가방법의 도입과 신뢰성과 재현성 있는 노출방법의 표준화를 추진해야함

7) 독성 데이터베이스를 활용한 통합기술
(1) Adverse Outcome Pathway (AOP)
AOP는 규제의사결정에 중요한 AO (Adverse Outcome)와 독성의 시작인 MIE (Molecular Initiating Event)를 연결하기 위한 개념적 틀로 MIE단계에서 QSAR model을 활용한 다양한 화학물질과 생물학적 상호작용을 확인하고 KE (Key Event)에서는 세포, 조직, 기관 사이에서 나타나는 다양한 반응과 반응에 대한 관계를 설립하고 용량반응 및 시간 반응을 통해 최종적인 AO를 예측함. AOP의 개발을 촉진하기 위해 2013년에 “AOP 개발 및 평가에 대한 지침 문서”가 출판되었고 최근에 AOP 지침 보완 개정 필요성에 따라 2017년에 “AOP 개발 및 평가에 대한 지침 보완 사용자 안내서”가 출판되었음.

· 국외 현황
2018년 7월 현재 AOP-Wiki에 등록된 국외에서 개발된 AOP는 211개이며 OECD work plan에 포함되어 있는 것은 51개임. 이중 OECD의 AOP 연구분과인 Extended Advisory Group on Molecular Screening and Toxicogenomics (EAGMST) 승인과 최종 TFHA (Task Force for Hazard Assessment) /WNT (Working Group of the National Coordinators of the Test Guideline Programme) 승인을 거쳐 완성된 AOP는 총 6개가 있으며 EAGMST 승인 완료된 AOP는 3개임. 관련 AOP는 parkinsonian motor deficits, N-methyl-D-aspartate (NMDAR)과 기억과의 관계, DNA alkylation, Androgen receptor, Aromatase inhibitor, protein alkylation, skin sensitisation, ionotropic glutamate receptors와 학습 기억 손상 관련한 인체 생체 분야로 개발되었음. 2015년 9월 24-25일에 개최된 [AOP-informed predictive modeling approaches for regulatory toxicology]에 대한 워크숍에서 AOP 모델개발 및 규제 독성분야에서 활용을 위한 계산예측모델 (computational prediction models)의 설계 및 개발에 대해 논의되었음

· 국내 현황
현재 국내에서 진행되고 있는 AOP는 총 12개 (No. 128, 130, 206-210)로 OECD work plan에 포함되어 있는 것은 3건 (No. 206, 128, 130)임. 3건에 대한 AO는 신장, 간, 폐독성에 관련된 것으로 EAGMST under development 단계이고 나머지 9개은 The Society for the Advancement of AOPs (SAAOP, http://www.saaop.org/)에서 개발 진행 중에 있음. 현재 대체독성 시험법 개발이 시급히 필요한 분야인 흡입에 대해서 총 7개의 AOP가 개발 중에 있으며 국내에서는 fibrosis에 대한 AOP (No. 206)가 OECD work plan에 포함되어 개발 중에 있음

국내에서 AOP 예측모델을 도입하고 활용하기 위해 개발한 AOP는 향후 독성 시험하기 위한 물질분류 및 우선순위지정에 활용될 수 있으며 복잡한 독성 기전을 이해하는 좋은 정보를 제공할 수 있을 것으로 예상. 또한 다양한 기전들을 종합한 대체독성 시험방법 개발에도 활용이 가능함. 따라서 다양화되고 많은 화학물질의 독성정보가 필요한 현 시점에서 정책결정에 활용될 수 있도록 유도할 필요가 있음

(2) 통합시험전략 (Integrated Testing Strategy, ITS)
현재 ITS는 눈자극성, 피부 부식/자극, 과민성, 급성독성 및 반복독성 분야, 생식독성, 유전독성 및 발암성 분야 등 다양한 분야에 대해 연구됨

· 국외 현황
The NTP Interagency Center for the Evaluation of Alternative Toxicological Methods (NICEATM) 에서는 The Interagency Coordinating Committee on the Validation of Alternative Methods (ICCVAM), Cosmetics Europe, the European Union Reference Laboratory for Alternative to Animal Testing, 및 Health Canada’s pest Management Regulatory Agency의 협력 하에 피부 과민성 및 내분비계 장애독성에 대한 통합 테스트 전략을 개발하였음. 특히 내분비계 장애독성에 대한 ITS의 경우 androgen receptor와 estrogen receptor를 매개로한 잠재적 독성에 대해 각각 11개 및 18개의 HTS를 통해 통합적 결과를 도출하였음

· 국내 현황
국내에서 도입된 사례는 현재 거의 없음. 대체시험법의 인체 독성 예측을 위한 신뢰성 있는 방법론에 ITS는 매우 중요함. 그러므로 개별적으로 진행되는 시험법들은 통합하여 독성 결과를 종합적으로 판단할 수 있는 ITS의 개념이 국내에 도입될 필요성이 있음

(3) Integrated Approaches to testing and assessment (IATA)
IATA는 시험전략을 사용하여 새로운 정보의 생성과 함께 기존 정보의 통합된 분석에 의존하는 화학위험분석을 위한 실용적이고 과학적인 접근 방식을 말함. IATA 는 한 가지 또는 많은 방법론적인 접근법 (QSAR, read-across, In chemico, In vitro, Ex vivo, In vivo)과 omic technologies의 결과를 통합하여 정보를 얻을 수 있음. 특히 독성을 예측 평가할 수 있는 새로운 방법에 AOP 개념이 활용되면서 AOP 기반 IATA가 개발되고 있음

· 국외 현황
현재 OECD 문건에는 포함되어 있지 않으나 비유전독성 발암물질에 대한 AOP-IATA에 대한 연구도 활발히 진행되고 있음. 최근 2017년 11월 14일에는 IATA 관련활동에 대한 경험을 공유하고 OECD IATA 개발 그룹 간의 시너지 효과 및 협력 분야를 파악하기 위해 IATA관련 프로젝트가 개최되었음. 또한 Cooperative Chemicals Assessment Program (CoCAP)은 IATA 개발 및 적용활동을 향상시키기 위해 2014년 개정됨. 이 프로그램은 화학물질의 위해성을 평가하기 위해 새로운 방법을 적용하는 접근방식에 대해 과학적으로 교환하고 또한 여러 유형의 화학물질을 평가하기 위한 방법의 모범 사례를 확립하기 위한 포럼을 제공함

(4) 시험관내에서 생체내로의 외삽 (In vitro to In vivo extrapolation: IVIVE)
· 국외 현황
In vitro 시험법은 인체건강위해성을 평가하는 효율적이고 경제적인 도구이나 신뢰성을 확립하기 위해서는 In vivo로 외삽시키는 방법 (IVIVE)이 필요함. IVIVE는 NICEATM 웹세미나 및 워크숍 (2016. 02, USA)을 통해 제시되었음. 워크숍은 웹 세미나에서 발표된 정보를 기반으로 화학물질 스크리닝 및 위해성결정에 IVIVE를 사용하는 사례에 대한 권장사항을 작성하였고 추가 결과 또는 연구가 필요한 영역을 확인하였으며 단계별 위해의사결정 전략에서 IVIVE를 적용시키기 위한 최선의 방법을 제시하였음. 또한 현재 NICEATM의 computational toxicologists는 다양한 매개 변수와 모델링 접근법을 통해 IVIVE분석 방법을 개발 중에 있으며 2017 SOT (Society of Toxicology) Annual meeting 때 에스트로겐 수용체에 대한 접근방법에 대해 발달독성 및 내분비계에 상호작용하는 물질의 잠재성을 예측하기 위한 IVIVE의 적용과 함께 계속적인 workflow를 진행하고 있음

3. NAMs 기술 국내도입 전략
1) Tox21, ToxCast, Chemical Dashbord 등 데이터베이스 활용기술
· DB를 활용한 기술에 대한 구체성이 없음
· 우리나라 화평법 등록대상 물질, 환경호르몬 물질, 신규 유해화학물질 등을 대상으로 Weight of Evidence (WoE) 개념으로 생식 독성 등의 독성영향 예측을 위한 데이터베이스를 활용해보는 시범적인 연구를 진행할 필요가 있음
· 전통적인 환경호르몬 물질이나 신규 유해화학물질을 대상으로 데이터베이스의 정보를 이용하여 BER (Bioactivity-to-Exposure-Ratio) 개념으로 우선순위 물질이나 추가적인 위해성평가가 필요한 물질을 선정
· 신규 유해화학물질을 대상으로, 데이터베이스를 활용하여 위해성평가 우선순위 물질 선정 등의 시범적인 연구 수행 필요

2) High-throughput In vitro 스크리닝 기법
· POD (Point Of Departure)등의 개념으로 NOAEL 값을 추정하는 연구로, 기존 데이터베이스를 활용하는 방법론 개발과 함께 이를 검증할 수 있는 In vitro 독성평가 방법을 선정하고, 그 방법론을 제시하는 연구
· AOP기반의 특정 KE를 발굴하고 In vitro 평가법으로 영향을 확인하는 방법을 찾고, 이를 HTS로 연결시킴
· 흡입독성에 대한 AOP가 개발되고 있으므로, 이를 적극적으로 활용함
· 새로운 In vitro 평가법이 아니라면 기존 HTS 기술을 국내로 도입하고 그 결과를 활용하는 방안을 모색하는 것이 현실적인 방향임

3) In silico, In chemico 독성평가
· In silico, In chemico는 비 동물실험이나 실제 독성실험결과와 비교 검증연구가 함께 진행되어야 함
· 대체물질을 대상으로 한 Read-across 결과와 실제 독성실험과의 비교연구
· In chemico의 경우 organ-on-a-chip, 인체모방 기관 등이 개발단계에 있으므로, 개발을 직접 수행하는 것 보다 개발된 기술을 화학물질의 독성을 평가하는데 활용할 수 있는 적용기술을 개발하는 것이 타당해보임

4) 혼합독성
· 혼합물 조성 및 농도 설정 방법론 개발
· 매커니즘이 다른 환경호르몬 물질을 데이터베이스를 활용해 선정하고, 저농도 만성 노출평가를 수행하여 혼합독성을 평가
· 저농도 만성 노출 관점에서의 In vitro 및 In vivo 독성평가를 함께 수행하고 결과 비교 연구
· 혼합독성을 주요 독성영향을 선정하여, 혼합독성에 대한 통합 OMICS 데이터를 생산해보고 이를 예측할 수 있는 QSAR 방법론을 개발함. 개발된 QSAR에서의 예측력과 기존 DB로부터의 예측력을 비교하고, 예측력을 높이기 위한 OMICS 방법론을 도출하는 피드백을 통해 혼합독성에 대한 높은 예측력을 위한 QSAR 방법론 개발

5) 통합 OMICS 데이터 생산
· Transcriptomics, proteomics, metabolomics 등을 함께 수행하여 빅데이터 통합 multi-omics 데이터를 생산하여 바이오마커 제시
· DNA methylation, histone modification, microRNA, post-translational protein modification 등 후성유전학적 (epigenomics)인 관점에서 독성평가를 수행하고 OMICS 데이터 생산
· 유전-후성유전 상호작용 연구를 통한 바이오마커 탐색
· 줄기세포, 대체생물모델 등 다중 모델을 활용한 후세대 영향 평가를 위한 유전자 지표 개발
· 대상 화학물질이나 질병을 선정할 필요
· 혼합독성이나 In vitro 평가법과 연계 필요
4. NAMs 도입을 위한 향후 중장기 사업 로드맵
5. 중장기 향후 추진 사업 제안 (RFP, Request for proposal)
· 자세한 내용은 본문에 기입함

(출처 : 요약문 6p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 3
• 요약문 ... 4
• 목차 ... 17
• 표목차 ... 18
• 그림목차 ... 18
• Ⅰ. 서론 ... 20
• 1. 연구과제 개요 ... 20
• 2. 연구의 배경 및 필요성 ... 20
• 2-1. 화학물질 사용의 증가와 독성 평가 ... 20
• 2-2. 동물실험 금지 및 제한범위 강화 ... 23
• 2-3. 첨단독성기법 (New Approach Methodologies, NAMs)의 도입 및 활용사례 ... 34
• Ⅱ. 본론 ... 43
• 3. 연구 내용 및 결과 ... 43
• 3-1. NAMs 정의 ... 43
• 3-2. NAMs의 기술예시 ... 43
• 3-3. NAMs 기술의 국내·외 활용 현황 ... 45
• 3-4. NAMs 기술 국내도입 전략 ... 98
• 4. 기대성과 및 활용방안 ... 102
• 4-1. 기대성과 ... 102
• 4-2. 활용방안 ... 102
• 5. 중장기 향후 추진 사업 제안 ... 103
• 부록 ... 119
• 끝페이지 ... 157