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2000년 이상 인간의 ‘아바타’ 역할을 해 온 실험동물. 동물실험에 문제의식을 느낀 사람들은 1979년부터 ‘세계실험동물의 날’을 정하고 동물실험을 반대하는 목소리를 높여 왔다. 그리고 최근 과학자들은 급속도로 발전한 과학 기술을 도구로 실험동물의 해방을 꿈꾸고 있다.

1903년 2월 2일. 영국의 저명한 생리학자 윌리엄 베일리스는 런던대 의대에서 수업 도중 살아있는 개를 해부했다. 그는 1년 전 처음으로 호르몬을 발견해 세계적인 주목을 받은 과학자였다. 하지만 강의실에 있던 두 명의 스웨덴 학생은 베일리스가 제대로 마취하지 않고 해부해 개에게 극심한 고통을 줬다며 국립생체해부반대협회(NAS)에 제보했고, 이는 신문 보도로 이어졌다.

비난이 빗발치자 베일리스 교수는 정상적으로 마취를 했다고 주장하며 NAS의 스티븐 콜러릿지 대표를 명예훼손으로 고소했다. 초유의 법정다툼으로 이어진 ‘갈색 개 사건’은 결국 베일리스 교수의 승리로 끝났지만, 동물실험에 대한 찬반 논란은 영국 전역으로 확대됐다. 1906년에는 동물보호단체가 갈색 개 동상을 설치하면서, 동물실험을 옹호하는 측과 반대측이 동상을 둘러싸고 4년 동안 치열한 갈등을 벌였다. 기원전 4세기부터 약 2300년간 별다른 반발 없이 진행돼 온 동물실험이 처음으로 난관에 부딪힌 순간이었다.

하지만 당시에는 ‘비윤리적’이라는 이유만으로 중단하기에는 동물실험이 주는 유익이 너무나 커 보였다. 동물실험은 생명체가 작동하는 원리와 질병의 발생 원리를 밝히고, 병을 예방하거나 치료할 목적으로 개발한 화학물질의 효과와 독성을 확인하는 데 쓰인다. 미용을 위해 사용하는 화장품 개발 과정에도 동물실험을 하면서, 2014년 미국에서만 연간 1억 마리 이상이 동원됐을 정도로 동물실험이 많아졌다. 2012년 전세계 시장규모만 약 50억 달러(5조7565억 원)에 달했다.

하지만 의학과 생명과학의 발달은 역설적으로 동물실험이 얼마나 비효율적인지를 밝혔다. 대표적인 예가 ‘탈리도마이드 사건’이다. 탈리도마이드는 독일 제약회사 그뤼넨탈이 1957년 출시한 임산부 입덧 방지약의 주성분이다. 당시 이 약을 먹은 여성들은 팔, 다리뼈가 없거나 극단적으로 짧아 손발이 몸통에 붙어 있는 기형아를 낳았다. 약을 출시하기 전 쥐와 개, 고양이를 대상으로 한 실험에서는 나타나지 않았던 현상이었다. 뒤늦게 인간과 좀 더 유사한 원숭이를 대상으로 실험한 결과 기형아를 낳는 결과가 나왔고, 약은 결국 시장에서 퇴출됐다. 하지만 이미 1만 명 이상의 기형아가 태어난 뒤였다. 반대로 백혈병 치료제로 잘 알려진 ‘글리백’은 쥐에게서는 독성을 보였지만 원숭이와 사람에게 투여했을 때는 효과가 나타났다. 아스피린과 페니실린 등 많은 의약품들이 인간과 다른 동물에게서 전혀 다른 반응을 나타낸다.

현재 학계에서는 동물실험을 통한 독성 확인 방법이 한계에 이르렀다고 평가하는 상황이다. 실제로 2007년부터 2011년까지 전세계에서 개발 중인 신약 후보물질 가운데, 동물실험에서는 독성이 없는 것으로 확인됐지만 임상시험 과정에서 탈락한 비율은 94%에 달했다. 유럽에서는 1990년대 초부터 화장품 동물실험을 금지하자는 목소리가 높아졌고, 2013년부터는 전면 금지했다. 우리나라 국회도 지난해 12월 31일 화장품 동물실험을 금지하는 법안을 통과시켰고, 올해 2월 3일부터 국내에서 시판되는 모든 화장품은 개발 과정에서 동물실험을 금지하고 있다.





토끼 대신 사람 세포 배양해 시험

동물실험이 전면 금지된 현재 화장품 독성 평가는 어떻게 이뤄지고 있을까. 경기도 용인에 위치한 아모레퍼시픽 기술연구원에서 만난 장원희 연구원은 “현재 경제협력개발기구(OECD)에서 인정한 대체시험법에 따라 동물실험을 대신하고 있다”고 말했다. OECD는 1980년대부터 회원국에 권고하는 화학물질 독성 시험 기준을 마련하는 등 동물들의 희생과 고통을 경감시키는 방향을 채택해 왔다.

OECD가 인정하는 모든 동물 대체시험의 기준은 ‘3R’로 요약할 수 있다. 1959년 영국의 동물학자 윌리엄 러셀과 미생물학자 렉스 버치가 주장한 3R 개념은 동물 사용을 피하는 방법으로 대체(Replacement)하고, 불가피하다면 사용하는 동물 수를 줄이며(Reduction), 고통을 최대한 완화(Refinement)하는 방법으로 실험해야 한다는 것이다.

3R은 불가피하게 동물을 사용하는 것까지는 인정하고 있지만, 화장품 개발 과정에 필요한 시험은 동물을 쓰지 않는 방법으로 대부분 대체됐다. 장 연구원은 “자외선차단제나 색소, 보존제처럼 전신으로 퍼지는 독성을 평가해야 하는 물질들은 아직 동물실험을 대체할 수 없다”면서도 “신제품을 개발할 때 새로운 화학물질을 쓰기보다 검증된 기존 물질들을 조합하는 방법을 쓰기 때문에 (추가로)동물실험을 하지는 않는다”고 말했다.

화장품 분야에서 진행됐던 동물실험은 15가지 이상으로 매우 다양하다. 이들을 대체하는 시험법 역시 다양하지만, 많은 시험법의 공통적인 특징은 인간의 세포와 조직을 적극적으로 쓴다는 점이다. 피부세포와 각막세포, 폐세포 등을 사용하며 필요에 따라서는 피부와 각막 등의 세포를 배양해 인공 조직을 만들어 실험한다.

예를 들어 눈에 들어가기 쉬운 마스카라와 라이너, 클렌징 워터, 샴푸 등을 개발할 때는 눈에 대한 독성을 평가해야 한다. 이를 위해 과거에는 흰색 토끼의 눈에 화학물질을 넣고 눈 혈관에서 나타나는 반응을 관찰하는 방식으로 실험을 했다. 하지만 지금은 인간의 각막세포를 배양한 뒤 다양한 농도로 희석한 원료물질에 노출시켜 세포가 죽는 양이나 사이토카인이 분비되는 정도를 확인한다. 사이토카인은 면역세포가 활성화될 때 분비되는 물질로, 이것의 분비는 해당 화학물질이 인체에 해롭다는 뜻이다. 장 연구원은 “인간 세포를 이용하는 방식은 동물실험에 비해 인체와 유사하다는 것이 장점”이라며 “한 번에 다양한 물질을 적용할 수 있어 시험이 쉽고 효율적일 뿐 아니라, 살아있는 동물을 다루지 않아도 되기 때문에 연구자의 감정적인 부담도 적다”고 말했다.



물고기도 고통을 느낄까

하지만 화장품과 달리 의학, 생물학, 신약개발 분야의 동물실험은 쉽게 대체되지 못하고 있다. 검증되지 않은 새로운 물질을 쓰는 경우도 많고, 독성 여부와 함께 기대하는 효과가 있는지도 면밀히 따져봐야 하기 때문이다. 따라서 이 분야의 동물실험은 되도록 고등동물이 아닌 하등동물을 이용하거나, 연구에 사용하는 동물의 개체수를 줄이고 고통을 경감시키는 방향으로 이뤄지고 있다.

세계 최대 규모의 의학 및 생물학 연구 기관인 미국 국립보건원(NIH)은 더 이상 침팬지를 이용한 동물실험을 하지 않겠다고 지난해 11월 18일 발표했다. 영국과 네덜란드, 뉴질랜드 등도 이미 영장류를 이용한 동물실험을 금지했다.

현재 동물실험에 가장 많이 쓰이는 동물은 쥐를 비롯한 설치류다. 국내 동물실험의 91.4%(2014년 기준)를 차지할 정도로 압도적이다. 사람과의 유전적인 유사성이 80% 정도로 높은 편이며, 유전자를 조작해 치매, 우울증, 암 등 다양한 질병 모델을 만들어 시험해 볼 수 있기 때문이다.

최근에는 인지체계를 갖고 있으며 고통을 느끼는 설치류보다는 더 하등한 척추동물인 어류가 새로운 실험동물로 주목받고 있다. 그중에서도 제브라피쉬는 인간이 지니고 있는 대부분의 장기(심장, 간, 췌장, 신장, 흉선)를 가지고 있는데다, 70% 이상의 유전자가 인간과 동일하다. 설치류에서 유전자를 조작해서 만들던 질병모델을 제브라피쉬에서도 대부분 구현할 수 있다. 게다가 자궁 안에서 자라는 실험쥐는 발생단계를 볼 수 없지만 제브라피쉬는 알이 투명해서 배아가 자라는 과정에서 나타나는 변화까지 관찰할 수 있다는 장점이 있다.

최근 박재학 서울대 수의대 교수팀은 선박 도료에 포함된 주석 성분(Trimethyltin chloride)을 섭취한 제브라피쉬가 낳은 알을 관찰한 결과, 기형 개체가 많다는 것과 신경 발달이 억제돼 있다는 연구 결과를 국제학술지 ‘신경독성학 및 기형학’ 2015년 12월 10일자 온라인판에 발표했다(dx.doi.org/10.1016/j.ntt.2015.12.003). 박 교수는 “어류는 고등동물에 비해 인지기능이나 감각이 떨어진다고 보기 때문에 대체 실험동물로 주목받고 있다”고 말했다. 유럽연합(EU)에서도 제브라피쉬를 이용한 동물실험은 제한하지 않고 있다.

하지만 동물보호단체들은 침팬지나 설치류뿐 아니라 제브라피쉬를 이용한 동물실험도 반대하는 입장이다. ‘어류도 고통을 느낀다’고 생각하기 때문이다. 동물보호시민단체 카라의 김혜란 이사는 “중추신경이 있는 동물은 모두 고통을 느낀다는 과학적 견해에 공감한다”고 말했다.

어류가 ‘사람처럼’ 고통을 느끼는지에 대해서는 아직까지 생물학계에서도 의견이 분분한 상황이다. 중추신경이 있기 때문에 자극이 뇌로 전달되는 것은 당연하지만, 사람처럼 그 자극이 감정적인 고통으로 처리되는 것인지 아니면 단순히 반사행동을 하는 것인지는 명확하지 않다.
 
완전한 탈(脫) 동물실험, 가능할까

연구자들은 장기적으로는 어류도 동물실험 금지 추세에서 자유롭지 못할 것으로 보고 있다. 어류를 이용한 실험에 다양한 장점이 있지만, 유전적으로 사람과 큰 차이가 있기 때문에 궁극적으로는 더 정확한 대체 실험 방법이 필요하다. 그래서 최근 주목하고 있는 분야가 바로 줄기세포와 데이터 분석이다.

줄기세포를 이용해 실험을 하려는 가장 큰 이유는 사람의 장기에서 세포를 떼어내 실험을 하는 것이 어렵기 때문이다. 간세포의 경우 간이식 수술을 하면서 분리한 세포(일차간세포)를 냉동보관했다가 해동시켜 실험에 쓰고 있지만, 심장이나 신경세포 등은 사람의 몸에서 떼어내 실험을 하기 어렵다. 일차간세포를 배양해서 실험할 때도 약물 대사에 관여하는 주요 효소의 활성이 빠르게 소멸하고 세포 생존 기간이 짧기 때문에 약물대사 및 독성시험을 하는 데 한계가 있다. 반면 간암조직에서 유래한 간암 세포주는 정상 간세포에 비해 약물대사효소의 발현과 활성이 상당히 낮은 수준이지만 실험실에서 배양하기 쉽고 지속적으로 세포분열을 한다. 그 때문에 현재는 주로 이 세포를 이용해서 실험을 한다. 하지만 조금 더 온전한 간세포로 실험하기 위해서는 줄기세포를 도입할 필요가 있다.

안전성평가연구소(KIT)는 현재 줄기세포를 이용해서 간세포와 심장세포를 만드는 연구를 하고 있다. 미국에서 1994~2006년 사이 퇴출된 의약품의 82%가 간과 심장에서 나타난 독성 때문이었다. 그 때문에 학자들은 다른 조직보다 우선적으로 줄기세포를 이용해 온전한 간세포와 심장세포를 만들고 있다. 박한진 안전성평가연구소 예측모델연구센터 선임연구원은 “전세계에서 활발하게 연구하고 있지만 아직까지 줄기세포 분화 기술을 이용해 인간 정상 간세포의 약물대사 기능을 온전하게 구현한 사례는 없다”며 “줄기세포를 이용해서 만든 간세포가 기능이 떨어지는데, 현재 그 이유를 찾는 중”이라고 말했다.

안전성평가연구소 예측모델연구센터 연구팀은 인간 일차간세포보다 줄기세포로 만든 간세포에서 약물 대사에서 중요한 효소 발현이 적은 이유를 밝혀 미국 ‘공공과학도서관회보(PLOS ONE)’ 2015년 7월 15일자와 ‘사이언티픽 리포트’ 2016년 2월 22일자에 발표하기도 했다.
 
쓰던 약에서 ‘로또’ 찾는다

동물실험을 아예 거치지 않고 사람을 대상으로 하는 임상시험부터 약 개발을 시작하는 방법도 최근 각광받고 있다. 기존 약품의 농도 등을 변화시켜 다른 질환 치료에 적용해 보는 방식으로, ‘신약 재창출(Drug repositioning)’이라고 부른다.

이 방법은 이미 인체 유해성을 검증하고 사용 승인을 받은 약품을 재활용하는 것이기 때문에 굳이 많은 동물실험을 거치지 않고도 임상시험에 돌입할 수 있다. 원래 협심증 치료제로 개발됐던 실데나필이라는 물질을 발기부전 치료제(바로 ‘비아그라’다!)로 쓰게 된 것이 대표적인 사례다. 류인균 이화여대 뇌·인지과학과 교수팀은 운동보조제로 많이 복용하는 크레아틴이라는 물질이 여성 우울증 개선에도 효과가 있다는 사실을 밝혀 국제학술지 ‘생물학적정신의학’ 2015년 12월 15일자에 발표했다(dx.doi.org/10.1016/j.biopsych.2015.11.027). 연구에 참여한 김지은 이화여대 뇌·인지과학과 교수는 “신약 재창출 방식은 이미 있는 약품 자원을 활용하는 연구이기 때문에 동물실험에서 자유롭다”며  “허혈성 뇌졸중 치료제를 필로폰 중독 청소년의 뇌손상 치료에 적용해 보는 등 다양한 연구를 진행하고 있다”고 말했다.

이처럼 최근 동물실험을 대체하는 방법에 대한 연구는 생물학, 컴퓨터과학, 기계공학 등 전방위적으로 이뤄지고 있다. 동물실험을 뛰어넘어 화학물질을 더 정확하게 평가할 수 있는 기술 개발이 절실한 상황이라는 반증이라고 할 수 있다. 이는 동물과 인간 모두를 위한 일이다.

과연 인간은 동물을 실험에서 해방시킬 수 있을까. 간디는 “한나라의 위대함과 도덕성은 동물을 다루는 태도로 판단할 수 있다”고 말했다.