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[도서 발췌] 생체적합성(Biocompatibility)

<이 글은, 2015년 1학기 동명대학교 의료기기관리제도 과목의 강의 교안으로 사용하기 위해서, 마리 B. 텍세이라의 “의료기기 산업계를 위한 설계 관리” (제2판, 2013년 11월 12일, CRC 프레스) 중 제12장 생체적합성 부분을 번역한 글입니다. <표 12.1>을 제외하고 전문 번역하였고, 일부 설명이 필요한 곳엔 역주를 추가하였습니다.>

[도서 발췌] 생체적합성(Biocompatibility)

의료기기와 그 구성품(components), 재료(materials)가 생체 적합함을 보증하는 일은 어떤 설계 관리 프로그램을 운용하든지 핵심 요소가 된다. 생체적합성(biocompatibility)은 통상 다음과 같은 두(2) 가지 기본 질문에 답할 수 있는 시험을 적용하여 판단한다.

1. 사용한 재료는 안전한가?
2. 그 재료는 사용하고자 하는 기능 수행에 필요한 물리적, 기계적 특성을 가지고 있는가?

생체재료는 보통 복합 개체이고, 그 재료의 독성(material toxicity)은 물리적, 화학적 특성 모두에 의해 영향을 받는다. 생체재료 또는 고분자 제제의 독성은 흔히 표면으로 이동하고, 재료(material)로부터 추출되는 성분들(components)로부터 유래한다. 재료 시험(material testing)은 용해 물질(leachable substances)은 없는지, 재료 또는 기기가 시간에 따라 또는 다른 환경에 처하면 분해되는지와 같은 재료의 독성(the toxicity of the material)을 판단하기 위해 수행한다.

생체적합성은 한 가지 시험만으로 밝힐 수 없다. 그 때문에 가능한 한 많은 생체적합성 변수들을 시험하는 것이 필요하다. 또한, 한 종류의 재료라도 가능하면 많은 시료들(samples)을 가지고 시험하는 것이 중요하다. 적절한 양성대조군과 음성대조군[역주: 양성대조(물질)군(positive control (group))은 규정한 방법대로 시험할 때 재현성 있고 적절한 양성/활성/최대 반응/결과를 나타내어, 시험이 적절하게 수행되었음을 나타내주는 비교 재료 또는 물질을 말하고, 음성대조(물질)군(negative control (group))은 규정한 방법대로 시험할 때 재현성 있고 적절한 음성/비활성/최소 반응/결과를 나타내어, 시험이 적절하게 수행되었음을 나타내주는 비교 재료 또는 물질을 말함]을 사용하여 반복된 시험을 통해 일정한 응답이 나오도록 한다. 더 높은 용량 범위로, 더 장시간 사용한다든지 또는 실제 사용 조건보다 더 가혹한 중복 손상을 가한다든지 하는 과장된 시도를 하는 것이 환자 안전을 확보하는 데 중요하다.

급성 독성을 확인하기 위한 대부분의 생체적합성 시험은 단기 시험이다. 이런 단기 시험 데이터는 아무런 시험 결과가 없는 영역까지 지나치게 확대 적용하지 않도록 한다. 생체적합성 시험은 실제 사용 조건 또는 실제 조건과 가까운 특정 조건에서 발생 가능한 유해 효과(adverse effects)를 사정(assess) 평가할 수 있도록 설계한다. 해당 의료기기와 그 사용목적(용도)[역주: ‘intended use’는 흔히 ‘의도된 사용’으로 풀이하는 경우가 많으나, 용도 또는 사용목적으로 풀이하는 것이 이해에 도움이 됨]이 생체적합성 시험에서 얻은 물리학적, 생물학적 데이터와 어떤 상호 관계가 있는지 파악하도록 한다. 이러한 시험들의 정확성(accuracy)과 재현성(reproducibility)은 사용한 시험방법과 시험장비에 따라 달라지고, 종종 연구자의 숙련도와 경험에 좌우되기도 한다.

생체적합성 시험을 설계하기 전에 고려하여야 하는 독성학 원칙들이 몇 가지 있다. 생체적합성은 의료기기에 접촉하는 조직에 의존한다. 예를 들어, 혈액 접촉 의료기기(blood-contacting device)에 대한 생체적합성 요구사항은 외요도 카테터(external urinary catheter)에 적용하는 요구사항과는 다를 것이다. 또한, 생체적합성 보장 수준은 사람 몸에 대한 침습 정도와 접촉 시간에 좌우된다. 예를 들면, 정형용 임플란트에 사용되는 재료들은 환자 몸속에서 오랜 기간 머물러야 하는 재료이다. 이 경우 그 임플란트를 장기간 사용할 때 신체에 유해한 영향은 없는지를 생체적합성 시험을 통해 입증할 필요가 있다. 재료 또는 의료기기가 생분해될 가능성은 없는지도 무시하면 안 된다. 신체에 의해 생분해되면 임플란트의 안전성과 유효성이 떨어질 수 있기 때문이다. 예를 들어, 1회의 혈액투석 시술(hemodialysis procedure)에 사용하는 플라스틱에서 용출되는 물질은 미량일 수 있지만, 환자가 1주일에 3회 투석을 받는다면 환자가 남은 일생 동안 노출되는 물질 총량은 몇 그램까지도 될 수 있다. 따라서 해당되는 경우, 누적 효과(cumulative effects)도 사정(assess) 평가하도록 한다.

두 가지 재료(materials)가 있고, 그들의 화학 조성은 동일하지만 물리 특성이 다른 경우, 예를 들어 입자 크기가 다르다면 동일한 생물학적 반응을 나타내지 않을 수도 있다. 과거의 생물학적 경험상 동일하게 보였던 물질들도 새로운 응용 분야에 적용할 경우 생체적합성을 보장할 수 없다. 독성이란 재료의 제제상의 차이와 제조 공정의 차이로 인한 용해 성분(leachable components)의 차이 때문에 올 수도 있기 때문이다.

생체적합성 시험의 도전 과제는 가능한 한 기존 데이터를 사용함으로써 미지의 변수를 줄이고 논리적 의사결정을 하는 것이다. 고유한 독성 발현 능력을 가진 물질에 따른 위해요인은 그 물질이 실제로 환자에게 노출될 경우에만 알 수 있게 된다. 따라서, 위험은 독성의 위해요인(hazard)과 노출(exposure)의 함수이다. 의료기기로부터 이동하는 물질, 또는 의료기기 내 또는 그 표면에 포함되어 있는 물질의 안전성은 잠재적으로 유해한 물질의 총량을 결정하고(determining), 환자의 조직에 도달하는 양을 예측하며(estimating), 노출 위험을 사정 평가하고(assessing), 위험 대 이익 분석을 수행하여(performing) 평가 가능하다. 생체적합성 시험을 통해 생체재료 사용 시 잠재적 위해가 밝혀진다면, 비교할 수 있는 다른 재료를 찾아 다른 재료로 대체 가능한지를 알아보아야만 한다.

생체적합성의 규제적 측면(Regulatory aspects of biocompatibility)

독성학적 위험의 사정(assessment)은 생물학적 안전을 확보하기 위해 필요하다. 주된 안전성 확보 목표는 의료기기가 환자, 사용자 또는 다른 사람들의 임상 상태 또는 안전을 위협하지 않도록 하는 것, 즉 “의료기기 사용에 따른 위험이 환자에게 주어지는 이익에 비추어보아 허용 가능한 위험이 되도록 하는” 것이다. 독성학적 위험 사정에는 다음의 세(3) 가지 정보 유형이 요구된다.

1. 재료의 화학적 성질(원료 성분의 독성)
2. 재료의 사용 이력
3. 생물학적 안전성 시험 데이터*
[*원주 Medicines and Healthcare Products Regulatory Agency, “Guidance on the Biological Safety Assessment,” London, January 2006.]

ISO 10993-1 표준규격과 FDA의 블루 북 메모랜덤(Blue Book Memorandum) G95-1은 생물학적 평가 시험 표(표 12.1 참조)를 통해 여러 종류의 의료기기에 요구되는 시험 유형을 보여준다.  ISO 10993-1의 표를 사용하든지 또는 FDA의 수정안을 사용하든지 간에 이 표는 시험 선정에 관한 기본틀(framework)을 제공하는 것으로서 필요한 시험이 무엇인지를 확인하는 목록(checklist)은 아니다. 제품의 안전성과 요구사항에 대한 적합성을 사정(assess) 평가하는 데 필요한 구체적인 안전성 시험의 횟수와 유형은 최종 제품, 구성 재료, 임상에서의 사용목적과 같은 개별 특성에 따라 달라진다. FDA의 블루 북 메모 G95-1에 포함된 표도 제조자로 하여금 510(k)[역주: 기존 허가 제품과의 동등성 비교를 통한 미국  FDA의 허가 방식 중 하나]에 필요할지도 모르는 독성 시험을 확인하는 데 도움을 준다(그림 12.1 참조).

또한, 의료기기 제조자들은 일반적으로 안전하다고 인정된, 즉 “안전성인정등급(generally recognized as safe)”(GRAS) 물질을 사용하는 경우에도 주의할 필요가 있다. GRAS 물질은 미국 연방법규 제21편 제182부(21 CFR Part 182)에 등재되어 있는데 음식에 적용되는 규정이다. 그렇기 때문에 GRAS 목록에 포함되는 재료 또는 물질이라고 해서 의료기기에 사용할 때 자동적으로 안전하고 유효하리라 가정해서는 안 된다.

생체적합성 시험 프로그램(Biocompatibility testing programs)

제조자들은 다음 활동의 일부 또는 전부를 포함하는 생체적합성 시험 프로그램을 개발할 필요가 있다.

– 재료(materials)와 완제품 의료기기에 대한 모든 데이터를 수집
– 재료의 화학적 특성을 파악
– 신속하고, 민감도 높고, 비용 대비 효과가 높은 선별 시험(screening tests)을 확인
– 원재료(raw materials) 수입, 최종 제품, 제조 공정을 감시
– 제품 출하 시험과 적합-부적합(pass-fail) 기준을 확립

추가로, 제조자는 의료기기 사용목적에 적합한 신뢰할 만한, 최신의 생물학적분석법(bioassay)을 사용하여 안전성을 입증하도록 한다.

규제 문제는 과학적 고려사항 만큼이나 복잡하다. 몇 가지 규제 문제를 살펴보면 다음과 같다.

– 사람이 의료기기에 얼마나, 어떻게 노출되는지에 관한 문제
– 화학적 손상(chemical insult)에 대한 생물학적 저항(biological resistance)
– 시험 변수(testing variables)
– 종차(species differences), 종간 차이에 대한 시험의 해석 문제
– 시험이 의료기기와 그 용도에 어떤 관계를 갖는지에 대한 문제
– 시험의 정확성과 시험 예측치가 옳다는 것을 어떻게 입증할 것인지에 관한 문제
– 시험 결과의 합당한 해석에 관한 문제
– 화학적 손상에 대하여 아무런 생물학적 반응(음성 결과(negative results))이 없을 경우 생체적합성을 예측하는 문제

<표 12.1> FDA의 블루 북 메모랜덤 – G95.1, 부록 A. 초기 평가 시험

생체적합성 시험 프로그램을 설계할 때에는 너무 극단적인 것은 피하는 것이 바람직하다. 앞서 언급했다시피, 단일 시험으로 생체적합성을 입증하려는 시도는 하지 않는 것이 중요하다. 그보다 더 중요한 사항은 생체적합성 프로그램이 해당 의료기기의 사용목적을 기초로 한 것이어야 한다는 점이다. 많은 시료(검체)(test samples)를 가지고 다양한 시험을 수행하는 것이 시험의 정확성, 특이성, 유의미성, 경제성 못지않게 중요하다. 의료기기는 그 형식이나 용도, 기능, 노출 방식, 접촉하는 이온 따위의 측면에서 제각각 큰 차이를 보이기 때문이다. 따라서, 하나의 시험 시스템을 가지고 모든 응용 분야를 다 수용할 수 없다. 그러나, 제조자는 의료기기가 이미 잘 알려져 있으며 합당한 검증을 거친 재료를 사용하거나, 동일 사용목적으로 오랜 세월 사용되어 안전하다고 여길만한 이력이 있는 경우라면 단지 문서로써 안전성 근거를 확보하기 위하여 과도한 생체적합성 시험 프로그램을 반복해서는 안 된다. 어떤 경우는 해당 의료기기의 사용목적과는 맞지 않거나 또는 그것에는 불필요한 경우도 있다. 예를 들어, 발열성 시험(pyrogenicity test)은 정맥 카테터[역주: 생리식염수나 영양제 투입을 위해 장시간 피부와 접촉하는 의료기기]에는 적합하지만 상처가 없는 체표에 적용하는 국소용 의료기기[역주: 예를 들면, 주사기]에는 적합하지 않다.

생체적합성 시험의 단계(Phases of biocompatibility testing)

의료기기를 위한 우수 생체적합성 시험 프로그램은 다음과 같은 세 단계를 따른다(표 12.2 참조).

– 1단계 시험은 재료의 물리적, 화학적, 독성학적 특성에 관한 정보를 제공하는 시험이다. 일반적으로 수행하기 어렵지 않고, 시험장비들도 쉽게 구할 수 있는 것들로 이루어져 있으며, 생체재료의 기초적 특성을 파악하기 위한 목적으로 수행하기 때문에 다른 모든 시험의 기초가 된다. 응용 범위가 넓지만 분석 능력은 떨어지기 때문에 개발 초기 부적합 사항을 걸러내고, 새로운 재료들을 지속적 감시(모니터링)하는 용도로 사용하기를 권하는 시험이다.

– 2단계 시험은 급성 독성 시험과 몇 가지 아급성 및 만성[역주: 필요 시 아만성] 시험을 포함한다. 이는 기본적으로 1단계 시험의 연장으로서, 1단계 선별 시험 결과, 추가 시험이 필요한 의료기기를 대상으로 하는 시험이며 다양한 체외(in vitro) 시험[역주: 시험관을 이용하여 실험실에서 수행하는 시험] 및 체내(in vivo)[역주: 실험동물을 이용하여 실험실에서 수행하는 시험] 시험으로 구성한다. 약동학적(pharmacokinetic) 연구, 수명 생물학적분석(lifetime bioassay)과 같은 확대된 전임상 시험(preclinical test) 또는 의료기기의 복잡도 및/또는 사용목적에 대한 적합성 파악을 위한 특수 시험을 포함한다.

– 3단계 시험은 의료기기의 최상위 시험으로서 임상 연구를 포함한다. 이는 이식 의료기기(implantable devices)에 특히 중요하다. 제조자는 1단계 시험 결과에 따라 2단계로 진행할지 또는 3단계로 진행할지를 결정하게 된다.

선별 시험(Screening tests)

구성 재료에 관한 데이터를 먼저 작성하지 않은 채 완성된 의료기기 제품을 시험하는 일은 위험하다. 만일 유해 사건(adverse event)라도 발생하면 어떤 구성요소가 문제를 일으켰는지를 판단하기 어렵기 때문이다. 의료기기의 구성 재료를 선별하는 일은 이러한 위험을 최소화하는 것으로서, 적합하지 않은 물질들은 조기에, 신속하고도 비교적 저렴한 방법을 사용하여 제거하는 것이다. 세포독성 시험, 피내 반응 및/또는 피부 자극 시험, 혈액적합성 시험들은 재료 안전성을 선별하여 판단하는 좋은 후보 시험이다. 그밖에도 생체재료들에 맞게 개발하여 사용하는 세포 또는 조직 배양법(cell or tissue culture methods)이 많이 있다. 명확한 금기 사유가 없는 한, 직접 접촉 시험 및 극성 또는 비극성 추출 용매를 사용한 시험을 모두 고려하도록 한다. 이러한 선별 시험들은 재료의 생체적합성을 입증하기 위한 시험이 아니고, 대체로 부적합해 보이는 재료들을 제외시키기 위한 시험임에 유의한다.

전신 독성(Systemic toxicity)

단기간, 장기간 또는 인체 표면 또는 인체 내 지속적 적용 시 전신 독성 반응을 일으키는 의료기기의 위험은 의료기기를 용도에 맞게 사용하는 동안 상당량의 독성 물질이 제품으로부터 방출되어 전신에 퍼지는 위험과 관련된 것이다. 전신 독성(systemic toxicity)은 동물/사람 신체에 전체적으로 영향을 미치는 독성을 말한다. 전신 독성 시험에서는 실험동물을 시험 검체(test articles)의 추출액 또는 검체에 노출시킨다. 네(4) 범주의 전신 독성 시험이 존재하는데 노출 기간을 기준으로 구분한다.

– 급성 독성(acute toxicity): 화학 물질에 대한 1회의 단기간(24-72시간) 노출로 기인된 유독성
– 아급성 독성(subacute toxicity): 14-28일(1개월까지) 동안 화학 물질에 1회 용량 또는 여러 차례 용량으로 기인된 유독성
– 아만성 독성(subchronic toxicity): 최장 90일(1개월부터 3개월까지) 동안 화학 물질에 지속 노출됨에 따른 유독성
– 만성 독성(chronic toxicity):  90일 이상(통상 6개월부터 12개월까지) 동안 화학 물질에 연속하여 지속적으로 노출됨에 따른 유독성

(그림 12.1) 510(k) 허가를 위한 생체적합성 독성 시험 선택 흐름도

독성 시험은 화학적, 물리적 분석과 연관 지어 수행함으로써 바람직하지도 않은 재료를 가지고 비싼 값으로 개발하지 않도록 한다. 대부분의 의료기기는 만성 독성 시험이 필요치 않다. 필요한 시험 범주는 의료기기의 임상적 사용목적과 유사하게 정해진다고 보면 된다.

생체재료의 급성 독성의 가장 일반적 원인은 독성 물질의 존재 자체와 그 용해능력(leachability) 때문이다. 따라서 용해 물질(leachable substances)을 검출하는 것이 시험계(test systems)의 주된 관심사이다.

급성 독성 시험은 아래의 시험을 포함하여 여러 시험이 있다.

– ISO 10993-11: 전신 독성 시험(Tests for Systemic Toxicity) [역주: 식약처 관련 고시 제10장]
– OECD 423: 급성 경구 독성(Acute Oral Toxicity)
– USP <88>: 체내 생물학적 반응 시험(in vivo Biological Reactivity Tests)
– ASTM F-750: 생쥐(마우스)에 전신 주입하여 재료 용출물을 평가하는 표준 시험법(Standard Practice for Evaluating Material Extracts by Systemic Injection in the Mouse)

<표 12.2> 생물학적 시험: 생체재료

제1단계(Level I)
급성(acute) 선별 시험
(screening tests)
세포독성(cytotoxicity) 시험
USP 생물학적 시험
용혈성(hemolysis) 시험
기타 시험 자극(irritation) 시험
감작성(sensitization) 시험
이식(implantation) 시험
혈액적합성(hemocompatibility) 시험
(돌연)변이(mutagenicity) 독성 시험
생식(reproductive) 독성 시험
발열성(pyrogenicity) 물질 시험
아급성 및 (아)만성
(subchronic
and chronic)
자극(irritation) 시험
감작성(sensitization) 시험
이식(implantation) 시험
혈액적합성(hemocompatibility) 시험
생식 발생(reproductive and developmental)
독성 시험
제2단계(Level II)
만성(chronic) 이식(implantation) 시험
생식 발생(reproductive and developmental)
독성 시험
발암성(carcinogenesis) 시험
기타 제1단계에 근거한 추가 시험
(약동학(pharmacokinetics) 등)
제3단계(Level III) 임상 연구
(clinical studies)

급성 독성(acute systemic toxicity) 시험은 의료기기의 용출물(extracts) 또는 의료기기 재료를 사용하여 전신(국소(local)의 반대말) 독성 효과를 발생시키는 용해물(leachables)을 검출하는 시험이다. 시험 재료의 용출물은 음성대조군으로 사용하는 공시험액을 생쥐(마우스)에 주입한다(추출 용매에 따라 피하(intravenously) 또는 복강 내(intraperitoneally) 주사). 주입 후 독성 징후가 있는지 관찰하고 이후 네 차례 정해진 시간마다 관찰한다. 생체적합성 표에 따르면 이 시험은 모든 혈액 접촉 의료기기에 권장되는 시험이다. 체내 조직과 접촉하는 의료기기들에 대해서도 적합한 시험이 될 것이다.

아급성 독성(subchronic toxicity) 시험은 장시간 또는 여러 차례 노출될 때 잠재적으로 유해한 영향이 있는지를 판단하는 시험이며, 실험동물 수명의 10 퍼센트 이하(예: 시궁쥐(rats)[역주: 규정이나 기준규격 등에는 일본식 표기법을 크게 못 벗어나 랏드, 랫드, 랫트 따위로 표기하고 있음]의 경우 90일 이하)의 기간 동안 시험 재료 및/또는 용출물에 노출하여 시험한다. 아급성 시험에 필요한 동물 모형(animal model)[역주: 동물 모형이란 사용하는 실험동물을 지칭함]을 선정할 때에는 의료기기의 실제 사용 조건을 고려할 필요가 있다. 아급성 시험은 모든 영구(permanent) 유치 의료기기에 필요하고, 체내 조직과 연장된 기간 동안 지속(prolonged) 접촉하는 의료기기도 고려 대상이다. 아급성 전신 독성 시험은 ISO 10993-11 중에 있다.

넷째 유형의 전신 독성 시험은 발열성(pyrogenicity) 시험이다. 이는 시험 검체(test article)가 혈액과 접촉할 경우 발열 반응을 일으키는지를 판단하는 데 사용한다. 순환 혈액(circulating blood) 또는 뇌 척수액(cerebrospinal fluid)과 접촉하는 의료기기는 미국 FDA에 의해 비-발열성(non-pyrogenic)을 요구받고 있는데, 인공수정체(intraocular lenses)가 하나의 예이다. 미국에는 두(2) 가지 유형의 발열성 시험이 있다. 하나는 체외(in vitro) 시험이고 다른 하나는 체내(in vivo) 시험이다.

– 세균성 내독소(bacterial endotoxin; LAL) 시험은 세균에서 유래하는 발열 물질인 내독소를 검출하는 체외 시험이다. LAL 시험은 로트(lot) 출하 시험이며, 각각의 의료기기 또는 재료에 대한 유효성확인이 이루어져야만 한다. (USP <85>: 세균성 내독소 시험(Bacterial Endotoxins Test)/ISO 10993-11)
[역주: LAL이란 리뮬러스 아미보사이트 라이세이트(Limulus Amebocyte Lysate)의 약자로서 이는 검미목 투구게과에 속하는 투구게(horseshoe crab)의 총칭인데, 이 동물은 구리가 포함된 헤모시아닌 성분의 파랑색 혈액을 가지고 있고, 면역 체계가 단순하여 세균 등에 오염될 경우 혈액이 응고되는 성질이 있으므로, 투구게 혈액에서 추출한 단백질, 즉 LAL 단백질을 이용하여 의료기기 등의 제조 공정에 존재하는 병원성 유해물질인 내독소를 검출하는 시험이 LAL 시험임]

– 토끼 발열성(rabbit pyrogenicity) 시험은 체내 생체적합성 시험으로서 시험 재료(test materials) 또는 용출물(extracts)로부터 세균성 내독소와 재료가 매개하는 발열성물질을 검출하는 시험이다.
(USP <151>: 발열성물질 시험(Pyrogen Test)/ISO 10993-11)
[역주: ISO 10993-11은 식약처 관련 고시 제10장 참조]

세포독성 및 세포 배양(Cytotoxicity and cell cultures)

세포독성(cytotoxicity)을 포함한 세포 배양(cell culture) 시험은 다른 시험들과 함께 사용할 때 생체적합성에 대한 훌륭한 예측 수단이 된다. 세포 배양 시험은 재료로 인한 세포의 사멸(lysis)(세포사(cell death)), 세포 성장 저해, 기타 세포에 미치는 독성 효과를 판단하는 시험으로서 직접 접촉법 아니면 용해 물질(leachable substances)(용출물(extracts))을 사용하여 시험한다. 여러 가지 고도로 전문화된 세포 배양 기법은 의료기기 제조 시 또는 제조 공정에 대한 감사 실시 시 원재료(raw materials)의 생체적합성을 감시(모니터)하는 데 사용된다.

세포독성(cytotoxicity) 시험은 신속하고, 저렴하고, 신뢰성 있고, 간편하고, 민감도 높고. 재현성 있는 선별 시험으로서 시험 과정의 초기에 세포사 또는 세포 기능과 관련된 기타의 부정적 영향을 검출하는 시험이다. 시험 결과는 체내 시험을 수행하기에 앞서 생체재료를 선별하는 데 쓰인다. 만일 어떤 시료가 생체적합성 시험에서 부적합으로 판명된다면, 그 시료는 거의 90% 가량 우선 세포독성 시험에서 실패한다. 세포독성 시험은 적합-부적합(pass-fail)을 판정하는 시험은 아니다. 그러나 세포독성 시험에서의 실패는 일반적으로 이식(implantation) 시험 또는 피내 반응(intracutaneous reactivity) 시험과 같은 확인 시험(confirmatory test)을 수행하는 기초로 활용된다.

생체재료를 시험하기 위한 세포독성 시험 방법은 매우 많다. 큰 범주로 구분하면 세 종류인데, 용출물 시험, 직접 접촉 시험, 간접 접촉 시험이 그것들이다. 어떤 방법으로 수행할 것인지는 평가할 시료의 특성, 의료기기가 사용되는 부위, 사용목적에 따라 달라진다. ISO 10993-5에 규정된 세(3) 개의 체외 시험 방법은 다음과 같다. [역주: ISO 10993-5는 식약처 관련 고시 제5장 참조]

– 최소기본배지 용출 분석법(MEM(Minimum Essential Medium) Elution Assay)
[역주: 배지란 세균과 같은 미생물을 키울 수 있게끔 만든 용액을 말하며, 미생물이 자라는 데 필요한 최소한의 영양소만을 포함한 배지를 최소기본배지(또는 최소배지, 최소필수배지, 최소필수영양배지 등)라고 함]
– 직접 접촉 분석법(Direct Contact Assay)
– 한천 확산/중층 분석법(Agar Diffusion/Overlay Assay)

용출물을 사용한 평가(Evaluation using extracts)

의료기기와 재료의 용출물을 세포 배양액(예: L929 생쥐 섬유모 세포주(mouse fibroblast cell line))에 노출시켜 시험한다. 세포독성 삼출물(cytotoxic leachates)의 존재는 세포의 생활력(viability) 손실로 알 수 있다. 용출물을 사용하는 세포독성 시험 방법의 예는 다음과 같다.

– 액상 배지 조직 배양 분석법(fluid medium tissue culture assay)(MEM 용출법)은 시험 용출물에 의한 융합 단층 배양액(confluent mono-layer culture)에서의 세포 손상을 평가한다. 이 방법은 시험용 의료기기에 대하여 실제 사용 조건에 따라 또는 과장된 조건에 따라 서로 다른 용매와 용출 조건을 사용하여 수행한다. 고밀도(high-density) 재료에 적합한 시험이다. 용출액을 조제한 다음 세포층으로 이전하여 세포의 이형성(malformation), 퇴행(degeneration), 사멸(lysis)은 없는지 현미경으로 검사한다.

– 세포 증식 저해 분석법(inhibition of cell growth assay)(증식 저해 시험(Growth Inhibition Test))은 좀 더 많은 정보를 얻을 수 있는 시험이어서 시간과 기술이 필요한데, 의료용 플라스틱 또는 인공수정체 등의 평가에 사용할 수 있다. 증류수 용출물을 조직 세포 배지에 혼입하고 조직 배양 튜브에 세포를 접종(inoculate)한다[역주: 접종(inoculation)이란 미생물을 배양하기 위해서 배지에 심는 행위를 말함]. 세포를 72시간 동안 배양기(incubator)에서 배양한 후 개별 튜브에서 제거한 세포에 대하여 총 단백질 분석법(total protein assay)으로 세포 증식 범위를 정한다.

– 복제 효율 분석법(cloning efficiency assay)(집락 형성 세포독성 시험(Colony Formation Cytotoxicity Test))[역주: 집락(colony)은 발음 그대로 콜로니라고도 하는데, 미생물 배양 시 눈으로 구분할 수 있을 정도로 배양 용기에 자라고 있는 미생물들의 집단을 말함. 통상 둥근 형태의 군체를 형성.]은 한층 더 많은 정보를 얻을 수 있고, 민감도가 높고, 정량적이어서 좀 더 기술이 필요한 시험이다. 복제 효율 분석 절차와 종말점(endpoint)은 증식 저해 분석법 또는 액상 배지 분석법과 유사하지만 좀 더 정확하고, 민감하며, 직접적이다. 복제 효율 분석법(cloining efficiency assay)은 통상 중국산 햄스터 난소 세포주(Chinese hamster ovary(CHO) cell line)와 단일 세포 복제 기법(single-cell cloning technique)을 사용하여 복제 효율에 유발되는 독성 손상을 추정한다. 용출물에 대한 독성 효과는 처리된 세포의 칠(7) 연속일 배양 시의 집락(colony) 형성 능력으로 정한다. 처리된 배양액의 복제 효율과 대조군(control)의 복제율을 비교한다. 용출물의 독성을 평가하는 데에는 한천 중층 방법을 사용할 수도 있지만, 그 방법은 주로 고형 시료/검체(test sample)의 직접 접촉 세포독성 시험에 사용한다.

직접 접촉법에 의한 평가(Evaluation by direct contact)

직접 접촉하여 세포독성을 시험할 수 있는 방법은 몇 가지가 있다. 직접 접촉법(direct contact method)은 콘택트 렌즈용 고분자와 같이 저밀도(low-density) 재료에 권고되는 시험이다. 배양액에서 성장 중인 세포 위에 직접 시험 재료 조각을 놓는 방법을 사용한다. 그러고 난 다음 24시간 동안 배양기에 넣어둔다. 세포 배양 동안, 시험 재료 내의 용해 화학물(leachable chemicals)이 배양액으로 확산되어 세포층과 접촉한다. 시료/검체(test sample)의 반응 여부는 시험 재료 주변 세포의 사멸(lysis), 변성(degeneration), 이형성(malformation)에 의해 알 수 있다.

직접 접촉법은 아래의 시험을 포함하여 여러 시험이 있다.

– ASTM F 813: 의료기기 재료의 직접 접촉에 의한 세포 배양 평가 표준 시험법(Standard Practice for Direct Contact Cell Culture Evaluation of Materials for Medical Devices)
– ASTM F 895: 세포독성 선별을 위한 한천 확산 세포 배양 표준 시험 방법(Standard Test Method for Agar Diffusion Cell Culture Screening for Cytotoxicity)
– ASTM F 10-27: 정형용 재료 및 의료기기의 조직 및 세포 적합성을 위한 표준 시험법(Standard Practice for Assessment for Tissue and Cell Compatibility of On Prosthetic Materials and Devices)

간접 접촉법에 의한 평가(Evaluation by indirect contact)

한천 확산 시험(agar diffusion test)은 용출물을 사용하여 또는 직접 수행할 수 있다. 한천 중층 조직 배양 방법(한천 확산 분석법)은 고무 마개(elastomeric closure)와 같은 고밀도(high-density) 재료에 적합하다. 단층의 L-929 세포 위에 염색제(stain)가 첨가된 한천층 위에 고형 시료/검체(test sample)를 놓고 24시간 동안 배양기에 넣어 둔다. 용해 물질(leachable materials)이 한천에 확산되고 세포층과 접촉한다. 독성은 시험용 의료기기 주변의 활성 세포의 유실로 알 수 있다.

세포독성에 관한 시험의 적정성을 기하기 위해서는 반드시 한 가지 이상의 용출 시험법과 한 가지 이상의 직접 접촉법을 사용하여야만 한다.

USP 생물학적 시험

[역주: USP는 United States Pharmacoepia의 약자로서 미국 약전(藥典)을 말하며, 우리나라에는 대한약전이 있음. 약전이란 국민 보건 증진에 필요한 의약품의 제법, 성상, 성능, 품질, 저장방법의 적정을 기하기 위하여 그와 관련된 여러 가지 기준을 정한 규격서를 말함.]

생물학적 반응(biological reactivity)을 시험하기 위해 제조자는 흔히 USP 절차를 사용하여 탄성중합체(elastomer), 열가소성 플라스틱(thermoplastics), 열경화성 플라스틱(duroplastics)과 같은 중합 물질의 생물학적 위험성을 평가한다. 이 시험들은 의료기기 완제품보다는 의료기기 제조에 사용되는 재료에 주로 적용한다. 시험 종류로는 USP <87> 체외(in vitro) 생물학적 반응 시험과 USP <88> 체내(in vivo) 생물학적 반응 시험이 있다(I부터 VI까지의 플라스틱 분류에 사용). USP 시험 방법은 대체로 ISO 10993으로 대체되었지만, 플라스틱 재료에 관한 USP 시험 계열들은 ISO 10993-1에서 요구하는 평가 시험으로 대치할 수 없다.

약간 차이가 있기는 하지만, USP <87> 체외 생물학적 반응 시험은 한천 확산 시험, MEM 용출 시험, 직접 접촉 시험 등 ISO 10993-5[역주: 식약처 관련 고시 제5장 참조]에 규정된 시험을 포함한다.

USP <88> 체내 생물학적 반응 시험은 다음을 포함한다.

– 전신 주입(systemic injection) 시험 및 피내(intracutaneous) 시험은 시료/검체(sample)로 제조한 특정 용출물(extracts)을 1회 용량 주입하여 플라스틱 및 기타 중합체에 대한 실험동물의 생물학적 반응을 평가하는 시험이다.
– 이식(implantation) 시험은 시료/검체(sample)를 실험동물 조직에 이식하여 플라스틱에 대한 살아있는 조직의 반응을 평가하는 시험이다. 이 시험은 용기나 그 부속품의 제조용, 주사제 조제(parenteral preparations)용, 의료기기나 임플란트, 기타 시스템 용도로 사용하고자 하는 재료들의 적합성을 시험하는 데 쓰인다.

플라스틱 분류(class plastics) 시험(즉, USP <88>)은 네(4) 가지 용매를 하나 이상 조합하는 다양한 시험 조합으로 구성한다. 플라스틱 분류(클래스) 시험은 생체적합성 시험 프로그램에서 일정한 가치를 지닌 시험이지만, 클래스 VI 시험은 의료기기에는 거의 사용하지 않는다. 일반적으로, FDA 블루 북 메모와 ISO 10993의 경우가 미국 약전의 경우보다 전체적으로 폭넓은 관점에서 규정하고 있기 때문에 FDA에 제품 등록을 입증하는 평가 자료를 제출할 경우에는 그 자료들이 USP 자료들을 대체한다.

자극 시험(Irritation tests)

일단 체외 시험을 끝내면(예: 세포독성 시험), 의료기기의 용도를 기초로 체내 시험을 수행할 수 있다. 자극(irritation) 또는 피내(intracutaneous) 시험은 실험동물 모형(animal model) 및/또는 사람의 점막 및 피부와 같은 적당한 장소 또는 이식된 조직 부위를 이용하여 의료기기, 재료 및/또는 용출물의 자극 및 감작 능력을 추정한다. 노출 경로(피부, 눈, 점막)와 접촉 시간은 예상되는 의료기기의 임상 목적에 적합한 것으로 선택한다. 예를 들어, 제품이 콘택트 렌즈를 담는 용기라면 안(눈) 자극 시험을 수행한다.

자극 및 피내 반응 시험은 아래의 시험을 포함하여 여러 시험이 있다.

– USP <88>/ISO 10993-10/ASTM F-749: 피내 반응 시험(Intracutaneous Reactivity Test)
– ISO 10993-10/OECD 404: 진피 자극 시험(Dermal Irritation Test)(드레즈(드레이즈) 피부 자극 시험(Draize Skin Test))
– ISO 10993-10: 점막 자극 시험(Mucosal Irritation Test)(질, 항문, 구강, 음경)
– ISO 10993-10/OECD 405: 안(눈) 자극 시험(Ocular Irritation Test)(드레즈(드레이즈) 눈 자극 시험(Draize Eye Test))
[역주: ISO 10993-10은 식약처 관련 고시 제9장 참조]

피내 반응, 진피 자극, 눈 자극 시험은 가장 보편적인 세(3) 개의 자극 시험이다. 그러나, 의료기기의 사용목적에 따라서는 다른 시험 방법을 사용할 수도 있다.

피내(intracutaneous) 시험은 시험 재료로 만든 용출액(extracts)과 공시험액(blanks)[역주: 아무런 반응을 일으키지 않는 증류수로서 시험액에 대한 반응과 비교해보기 위하여 사용함]을 진피내로(intradermally) 주사하여 잠재적인 국소 자극을 탐지하는, 감별력 높은 급성 독성 선별 시험이다. 주사액 주입 부위의 홍반(erythema; redness)과 부종(edema; swelling)을 관찰하여 점수를 매긴다. 이 시험은 체외로부터 체내로 들어오거나 또는 내부 조직이나 체액과 접촉하게 되는 의료기기에 권고되는 시험이다. 생체재료(biomaterial)에서 추출되는 화학물질로 인한 국소 자극 가능성을 신뢰성 있게 검출하는 시험이다.

1차 피부 자극(primary skin irritation) 시험은 피부와 접촉하는 의료기기의 잠재적 독성을 증명하는 시험이다. 상처가 없는 또는 상처가 있는 피부와 외적 접촉하는 의료기기에 대하여 고려하는 시험이다. 시험 재료 또는 용출액(extract)은 실험용 토끼의 상처없는 피부 위 또는 마찰시켜 상처를 낸 피부에 직접 접촉시킨다. 24시간 후 시험 재료를 제거하고 접촉한 부위의 홍반과 부종을 관찰하여 점수를 매긴다.

점막 자극(mucous membrane irritation) 시험은 체외에서 상처가 없는 자연적 통로로 접근하는 또는 내부 조직과 접촉하는 의료기기에 권고되는 시험이다. 이 시험은 재료 자체보다는 용출액(extracts)을 자주 사용한다. 일반적으로 사용되는 시험은 질, 볼주머니(협낭, cheek pouch). 눈 자극 시험이다.

감작성 시험(Sensitization tests)

감작성(sensitization) 시험은 재료에 반복 또는 지속적으로 노출될 때 유해한 국소 또는 전신 효과(즉, 알러지(알레르기) 반응)를 유발하는 화학물질이 있는지 여부를 판단하는 데 도움을 주는 시험이다. 감작성은 지연된 과민성 반응(발현되는 데 며칠 정도가 걸리는 면역 반응)의 일종으로서 다양한 합병 증상으로 나타난다. 감작 능력 시험은 시험 재료에서 나오는 특정 화학물질이나 시험 재료 자체, 아니면 대부분의 경우처럼 시험 재료의 용출물(extracts)을 사용하여 시험할 수 있다. 특별히, 의료기기, 원재료, 용출물의 감작 특성을 평가하는 데에는 실험용 큰쥐(기니픽; guinea pigs)가 적합하다.

감작성 시험은 아래의 시험을 포함하여 여러 시험이 있다.

– ISO 10993-10/OECD 406/ASTM F-720: 기니픽(또는 기니피그) 극대화(또는 최대화) 시험(Ginea Pig Maximization Test)
– ISO 10993-10/OECD 406: 설치류 국소 림프절(임파절) 분석(Murine Local Lymph Node Assay)
– ISO 10993-10/OECD 406: 폐쇄 패치(첩포) 시험(Closed Patch Test; Buehler Test)
[역주: ISO 10993-10은 식약처 관련 고시 제9장 참조]

기니픽 극대화(guinea pig maximization) 시험(Magnusson-Kligman Method(마그누손-클리그만 시험법))은 체외에서 접근하거나 또는 신체 내부나 체액과 접촉하는 의료기기에 권고되는 시험이다. 시험 재료를 프로인트 완전 면역보강제(CFA: Complete Freund’s Adjuvant)와 혼합하여 피부 자극 반응을 증강한다. 재료로 만든 용출물(extracts)을 기니픽의 진피 내로 주사하고, 이후 피부에(국소적으로) 처리한다. 이 방법은 다른 시험보다 한층 민감도가 뛰어나다고 여겨지는 시험이다.

설치류 국소 림프절 분석(murine Local Llymph Node Assay; LLNA)은 자극제에 반응하여 림프구(임파구)의 수가 증가하는 것으로 판단하는 시험이다. 만일 어떤 분자가 피부 자극제(skin sensitizer)라면, 랑게르한스(랑거한스) 세포(Langerhans cells)[역주: 이자(췌장)에 있는 내분비 세포로서 인슐린, 글루카곤 따위의 호르몬을 분비하여 체내 혈당을 조절함]를 자극하여 자극 항원을 배출 림프절로 운반하고, T-림프구 증식을 유발, 이상 반응을 일으킨다. 재료 용출물(extracts)을 생쥐 피부에 처리하고, 림프구를 체외 분석하는 방법이다.

폐쇄 패치(closed patch)[역주: 액체가 잘 스며드는 솜이나 일회용 밴드에 시험액을 스며들게 한 다음 피부에 붙이고 – 패치(첩포) –  붕대로 묶는다든지 하여 고정 – 폐쇄(폐색) – 한다는 의미임] 시험은 시험 용량을 여러 개소에 국소 적용하는 방법이며, 표면 접촉 의료기기에 권고되는 시험이다.

혈액적합성 시험(Hemocompatibility tests)

혈액적합성(hemocompatibility) 시험은 혈액 또는 혈액 성분과 (직접 또는 간접) 접촉하는 의료기기 또는 재료라면 모두 적용할 필요가 있는 시험이다. 실제로 양호한 혈액적합성을 나타내는 재료들은 희소한 편이다. 정도의 차이가 있을 뿐 모든 재료가 혈액과 양립하기 어려운데 그 이유는 혈액 세포를 파괴한다거나 아니면 응고 경로(coagulation pathways)(혈전 형성(thrombogenicity)) 및/또는 보체계(complement system)[역주: 보체(complement)는 척추동물의 혈청 단백질 복합체로서 혈청 내에서 불활성 상태이지만 항원항체복합물 등에 의해 활성화되어 용혈 반응 등 여러 생물학적 반응을 일으킴]를 활성화할 수 있기 때문이다.

ISO 10993-4 표준규격[역주: 식약처 관련 고시 제4장]은 혈액 접촉 의료기기 또는 구성품에 대한 시험 평가 범주를 정의하고 있으며, 이 장의 표 12.1에는 의료기기 유형별로 수행할 필요가 있는 시험이 요약되어 있다. FDA는 그 표에 동의하고 있지 않지만, 시험에 관해서는 아무런 지침도 제공하고 있지 있다.

ISO 10993-4에 요약된 혈액적합성 시험의 다섯(5) 범주는 혈전증(thrombosis), 응고(coagulation), 혈소판(platelets), 혈액학(hematology), 보체계(complement system)(면역학)이다. 체내(in vivo) 시험인 혈전증 시험을 제외하고는 모두 체내(in vitro) 분석법이다. [역주: ISO 10993-4는 식약처 관련 고시 제4장 참조]

혈전형성(thrombogenecity)(혈전증(thrombosis)) 시험에서는 검체(test article)를 실험동물의 혈관계에 이식한다. 일정 시간 후 이식된 혈관을 제거하고, 검체에서 혈괴(핏덩이) 형성(clot formations) 유무를 관찰한다. 혈전형성 시험은 일반적으로 어렵고, 결과에 대해서도 이론이 많고, 비용도 많이 들기 때문에 제조업체는 FDA와 사전 협의하여 평가에 적합한 모형과 시험 프로토콜을 선정하도록 한다.

나머지 네(4) 개 시험은 시험관에서 진행하며, 검체가 혈액이 뭉쳐지거나 또는 응고되는 데 영향을 미치는지, 면역 반응을 조절할 수 있는지, 혈액의 세포 성분을 손상하는 것이 가능한지 따위의 특정한 활동을 평가한다.

용혈성(hemolysis) 분석은 피부 또는 점막에만 접촉하는 의료기기를 제외하고 모든 의료기기 또는 재료에 권고되는 시험이다. 이 시험은 재료 또는 재료의 용출물과 직접 접촉할 때 적혈구 세포가 파괴되는지를 측정하여 그 결과를 양성 및 음성 대조물질과 비교한다. 용혈성 시험은 신속한 시험에 속하여 실험장비도 간단하고, 시험 결과도 정략적으로 쉽게 해석할 수 있다. 용혈 능력을 측정하는 데에는 ASTM F-756 재료의 용혈성 사정 평가를 위한 표준 시험법(Standard Practice for Assessment of Hemolytic Properties of Materials)을 사용할 수 있다.

응고(coagulation) 분석법은 검체가 사람의 혈액 응고 시간에 미치는 효과를 측정한다. 혈액과 접촉하는 모든 의료기기에 권고되는 시험이다. 혈액 응고 시간에 해당하는 프로트롬빈 시간(PT: prothrombin time) 분석법은 외인성 경로(extrinsic pathways)의 응고 이상(coagulation abnormalities)을 탐지하는 일반적인 선별 시험이다. 부분 트롬보플라스틴 시간(PTT: partial thromboplastic time) 분석법은 내인성 경로(intrinsic pathways)의 응고 이상을 검출하는 시험이다.

보체 활성화(complement activation) 시험은 순환 혈액에 접촉하는 임플란트 의료기기에 권고되는 시험이다. 이 체외(in vitro) 분석법은 검체(test article) 또는 용출물(extract)에 혈장(plasma)이 노출될 때 나타나는 사람 혈장 중의 보체 활성 정도를 측정한다. 보체 활성 척도는 검체가 사람에게서 보체 유도 감염 면역 반응(complement-induced inflammatory immune response)을 유발할 수 있는지를 나타낸다.

혈소판(platelet) 시험은 얼마나 잘 응집하여 혈괴를 유발하는지를 보기 위한 시험이다. 실험동물에서 혈액 시료를 취하여 손상되지 않은 재료에 노출한다. 그 후 세제곱 밀리미터 당 혈소판 수를 측정한다.

기타 혈액 적합성 시험(예: 적혈구 안정성(erythrocyte stability), 단백질 흡수(protein absorption) 등) 과 특정 체내 시험은 재료-혈액 상호작용에 대한 사정(assessment)을 보완하는 데 필요할 수 있다.

이식 시험(Implantation tests)

이식(implantation) 시험은 이식된 의료기기 또는 재료의 국소 및/또는 전신 효과를 판단하기 위해 수행하는 시험이다. 이식 시험에서 검체(test material)는 시험 동물(test animals)의 체내 또는 적당한 조직 내에 삽입하거나 또는 유치한다. 이식 장소로 사용되는 조직은 검체에 가장 적합한 조직으로 한다. 판단하기 어려운 경우에는 근육 이식 시험을 수행한다.

이식 시험에서는 의도하고 있는 임상 사용목적과 인체 접촉 기간(예: 단기 또는 장기)을 반영하도록 한다. 중간 확인 지점을 여러 차례 두어 경과를 관찰한다. 영구 임플란트인 경우 짧게는 1-4주 동안 시험을 수행하고, 길게는 12주 이상 시험을 수행한다.

흡수 또는 생분해 재료를 시험할 때에는 평가 시점(time-point) 선택에 특히 신중을 기한다. 평가 시점은 시험 재료의 분해율(degradation rate)에 기초하여 정해야 한다는 것이다.

이식 시험의 예로는 다음의 것들이 있다.

– USP <88>/ISO 10993-6: 근육 내 이식(Intramuscular Implantation) [역주: ISO 10993-6은 식약처 관련 고시 제6장 참조]
– ISO 10993-6: 피하 이식(Subcutaneous Implantation) [역주: 식약처 관련 고시 제6장]
– ASTM F763: 임플란트 재료에 대한 단기 선별 표준 시험법(The Standard Practice for Short-Term Screening Implant Materials)
– ASTM F981: 외과용 임플란트 생체재료의 근육 및 뼈에 미치는 영향에 관한 적합성을 사정 평가하기 위한 표준 시험법(The Standard Practice for Assessment of Compatibility Biomaterials for Surgical Implants with respect to Effect of Materials on Muscle and Bone)

돌연변이성(유전독성) 시험(Mutagenicity tests (genotoxicity))

유전독성(genotoxicity) 시험은 검체가 DNA, 유전자, 염색체에 손상을 유발하여 암 또는 유전적 결손 위험을 증가시키는지를 평가하는 시험이다. 유전독성 시험은 보통 발암성 시험 또는 생식 독성 시험을 고려하기 전에 수행하는데 그 이유는 변이성과 발암성, 생식 독성 간 유의미한 상관관계가 있다고 추정되기 때문이다. 전부는 아니지만, 상당수의 발암물질(carcinogens)이 돌연변이원(mutagens)으로 알려져 있는데, 반면에 모든 변이원들이 사람의 발암인자는 아니다.

돌연변이는 DNA 한 가닥에서의 점 돌연변이(point mutation), 전체 DNA 구조에 대한 손상, 염색체(DNA 포함) 구조에 대한 손상을 포함한다. 따라서, 점 돌연변이(유전자 변이), 염색체 수 변화(이상(aberrations)), DNA 손상 증거를 연쇄적인 시험 또는 한 벌의 시험으로 간주하여 시험하도록 한다.

(30일보다 길게 신체와 접촉하고, 24시간보다 길게 체내에 머무는) 장기 노출 의료기기는 일반적으로 에임즈 시험(Ames test)과 두(2) 가지 생체 시험이 요구되는데, 후자는 보통 염색체 이상(chromosomal aberration) 시험과 생쥐(마우스) 소핵(mouse micronucleus) 시험이 된다. 신체 접촉의 위험이 덜 심각한 의료기기라면 에임즈 시험만 할 수도 있다.

ISO 10993-3 표준규격[역주: 식약처 관련 고시 제3장]은 적어도 세(3) 가지 이상의 분석법으로 유전 독성을 사정하도록 권고한다. 그 중 두(2) 가지는 시험 시스템으로 포유동물 세포를 사용하고, DNA 효과, 유전자 돌연변이, 염색체 이상이라는 세(3) 가지 유전독성 효과가 포함되도록 하고 있다. 시험 재료의 용출물 또는 용해시킨 시험 재료를 사용하여 시험할 수 있다.

변이성(유전독성) 시험은 다음을 포함한다.

– ISO 10993-3//OECD 471: 에임즈 박테리아 복귀 돌연변이 분석법(에임즈 변이 분석법)(Ames Bacterial Reverse Mutation Assay(Ames Mutagenicity Assay))
– ISO 10993-3/OECD 476: 생쥐(마우스) 림프종 분석법(Mouse Lymphoma Assay)
– ISO 10993-3/OECD 473: 염색체 이상 시험(Chromosome Aberration Test)
– ISO 10993-3/OECD 474.475: 생쥐(마우스) 골수 소핵 시험(한계 시험)(Mouse Bone Marrow Micronucleus Test(Limit Test))
[역주: ISO 10993-3은 식약처 관련 고시 제3장 참조]

에임즈 변이성(Ames mutagenicity) 시험은 가장 일반적인 시험이다. 이 시험은 다섯(5) 종의 살모넬라 티피뮤리움(salmonella typhimurium) 균주를 사용하여 점 돌연변이를 검출한다. 복귀(revertant; 역전) 세균(야생종(wild-type)[역주: 일반적으로, 돌연변이형의 반대 개념으로서 자연 상태에서 보이는 정상형을 말함]으로 되돌아간 세균)이 증식하였다면 양성 결과가 된다.

생쥐(마우스) 림프종(mouse lymphoma) 시험은 일부 손상된 유전자가 존재하는 생쥐의 돌연변이 암 세포주를 사용하는 시험이다. 이 유전자가 완전히 손상되면 변이 세포주는 생존하고 특정 화학물질이 존재하는 환경에서는 복제도 가능하다. 검체에 세포를 노출시킨 뒤 특정 화학물질이 존재하는 환경 속에서 세포를 배양한다. 만일 생활력 증가가 탐지되면 이는 검체가 유전자를 완전히 비활성화 또는 손상시킬 수 있었음을 나타낸다.

염색체 이상(chromosomal aberration) 시험은 통상 중국산 햄스터 난소(CHO: Chinese hamster ovaries) 세포를 사용하여 시험한다. 이 세포들을 가지고 유사분열(mitosis) 또는 세포 분열을 촉진시킨다. 이어 검체에 노출시킨 뒤 유사분열을 정지시키는 화학물질을 유사분열 중기(metaphase stage)에 노출시킨다. 유사분열 중기는 모든 염색체가 눈에 보이는 시기이다. 200 개 이상의 유사분열 중기 세포를 관찰하여 염색체 손상 여부를 평가한다.

생쥐(마우스) 소핵(mouse micronucleus) 시험은 체내(in vivo) 시험으로서 생쥐들을 검체(test article) 또는 용출물(extract)에 노출시킨다. 실험동물의 골수 또는 말초 혈액을 채취하여 소핵 존재 유무를 평가한다. 소핵은 염색체 또는 염색체 조각으로 구성되며, 염색체 손상의 지표이다.

보충 시험(Supplemental testing)

보충 시험은 생식 독성 시험, 발암성 평가, 분해성 연구를 포함한다. 이들은 장기간 시험으로서 상당한 예산이 필요하다.

발암성 시험(Carcinogenicity testing)

발암성 시험(carcinogenicity testing)은 실험동물 수명(예: 시궁쥐(rats)는 2년, 생쥐(mouse)는 18개월, 개(dogs)는 7년)에 상당하는 장시간에 걸쳐 의료기기, 재료 및/또는 그 용출물에 1회 노출 또는 여러 차례의 노출될 경우의 종양형성(tumorigenic) 가능성을 판단하기 위한 시험이다.

의료기기의 발암성 시험은 고 비용 시험이기 때문에 제조자는 여러 근거 자료로부터 발암 유도 경향성이 보이는 경우에 시험을 수행한다. 발암성 시험을 고려할 필요가 있는 상황은 다음과 같다.

– 흡수 기간이 30일 이상인 흡수성 재료와 의료기기로서 독성동태학(toxicokinetics)적 근거, 사람에게 사용한 데이터가 없거나 노출과 관련하여 유의미하고 적절한 데이터가 없는 경우

– 유전 독성 시험 결과가 포유류의 세포와 생체 내에서 모두 양성으로 판정된 재료와 의료기기
– 인체 및/또는 체강cavities)에 삽입되어 30일 이상 영구 또는 누적(cumulative) 접촉되는 재료 또는 의료기기로서 사람에게 사용한 유의미하고 적절한 이력이 없는 경우

발암성 시험에는 다음이 포함된다.

– ISO 10993-3: 유전성, 발암성, 생식 독성 시험(Tests for Genotoxicity, Carcinogenicity, and Reproductive Toxicity) [역주: 식약처 관련 고시 제3장]
– OECD 451: 발암성 연구(Carcinogenicity Studies)
– OECD 453: 만성 독성/발암성 병행 연구(Combined Chronic Toxicity/Carcinogenicity Studies)

생식 발생 독성(Reproductive and developmental toxicity)

생식 발생 독성(reproductive and developmental toxicity) 시험은 의료기기, 재료 및/또는 그 용출물이 생식 기능, 배 발생(최기형성(teratogenicity[역주: 한자로 催奇形性으로서 생체에 섭취 또는 흡수되어 배아 또는 태아의 기형 또는 이상 발육을 유발하는 특성을 말함)), 태아기와 출생 후 초기 발생에 어떠한 잠재적 영향을 미치는지를 평가한다.

생식 이상은 남성과 여성 모두에게 영향을 미치며, 그 범위는 생식 능력의 미미한 감퇴로부터 완전 불임에 이르기까지 광범하다. 최기형성은 물질의 유해 효과가 배 발생과 태아에게 영향을 미침을 말한다. 독성 효과로 인해 자녀가 사망할 수 있고, 출생 시 체중 감소와 같이 미미한 상태를 포함, 질병을 겪을 수도 있다.

생식 독성 시험은 일반적으로 다음과 같은 의료기기가 고려 대상이다.

– 자궁 내 피임기구(IUDs; intrauterine devices) 또는 생식 조직 또는 배아와 직접 연락될 수 있는 장기간 신체 접촉 의료기기
– 에너지[역주: X선과 같은 방사선 에너지 따위] 투입 의료기기
– 흡수(resorbable) 또는 용해(leachble) 재료 및 의료기기

생식 발생 독성 시험은 다음을 포함한다.

– ISO 10993-3: 유전성, 발암성, 생식 독성 시험(Tests for Genotoxicity, Carcinogenicity, and Reproductive Toxicity) [역주: 식약처 관련 고시 제3장]
– OECD 414: 최기형성(Teratogenicity)
– OECD 415: 한(1) 세대 생식 독성 연구(One-Generation Reproduction Toxicity Study)
– OECD 421: 생식/발생 독성 선별 시험(Reproduction/Development Toxicity Screening Test)

생분해성(Biodegradation)

의도한 또는 의도하지 않은 재료의 분해(degradation) 가능성에 대한 신중한 고려는 의료기기의 생물학적 안전성 평가에 필수적이다.

ISO 10993-9 표준규격의 부속서(Annex) A에 따르면, 다음과 같은 경우에 분해 시험(degradation studies)을 고려한다.

– 의료기기가 생체에 흡수되도록(bioresorbable) 설계된 경우
– 의료기기가 30일 이상의 기간 동안 이식되는 경우
– 재료 시스템(material(s) system)에 대한 정보에 입각하여 고려할 때 인체와 접촉하는 동안 독성 물질이 방출될 수 있는 징후가 있는 경우

생분해성(biodegradation) 시험은 제품 또는 재료가 얼마나 인체에 흡수되는지를 파악하고, 이후에 제품 또는 재료가 체내에 흡수되는 과정을 추적하여 시간에 따른 효과를 판단한다. 분해 산물(degradation products)은 기계적 방식이나 피로 하중(fatigue loading)에 의해 및/또는 환경과의 상호작용 또는 복합작용에 의해 의료기기로부터 방출되는 등의 여러 방식으로 생성될 수 있다. 분해 산물에 대한 생물학적 내성(tolerability)은 그것들의 성질과 농도에 따라 다르기 때문에 일차적으로 임상 경험 및 집중 연구를 통해 사정(assess) 평가하도록 한다.

생분해성 시험은 다음을 포함한다.

– ISO 10993-9: 잠재적 분해 산물의 확인과 정량을 위한 체제(Framework for Identificaton and Quantification of Potential Degradation Products) [역주: 식약처 관련 고시 제8장]
– ISO 10993-13: 고분자 소재 의료기기에서 얻어진 분해 산물의 확인과 정량(Identification and Quantification of Degradation Products from Polymeric Medical Devices) [역주: 식약처 관련 고시 제12장]
– ISO 10993-14: 세라믹 소재에서 얻어진 분해 산물의 확인과 정량(Identification and Quantification of Degradation Products from Ceramics) [역주: 식약처 관련 고시 제13장]
– ISO 10993-15: 금속과 합금 소재에서 얻어진 분해 산물의 확인과 정량(Identification and Quantification of Degradation Products from Metals and Alloys) [역주: 식약처 관련 고시 제14장]
– ISO 10993-16: 분해 산물과 용해물에 관한 독성독태시험(Toxicokinetic Study Design for Degradation Products and Leachables) [역주: 식약처 관련 고시 제15장]

 

의료기기 규제업무 분야 직무 특강 자료

지난 2014년 11월 14일(금) 경상북도 안동 소재 안동과학대학교 의료공학과에서 강의한 “규제업무 분야 직무 특강”(의료기기) 발표자료를 소개합니다.

기술 융합 시대의 도래에 따라, 지난 20년간 전국적으로 의공학 관련 학과가 많이 생겼지만, 전반적으로 교육 자원이 부족하여 실질적 융합 기술 교육이 이루어지고 있지 못한 데다가, 각 대학에서의 전형적인 학과 소개와 비전 제시와는 달리 병원에서의 일자리는 극히 제한적이고, 산업계의 의공학 관련 학과에 대한 인식도 낮은 편이라서 의공학 관련 학과 졸업생들의 진로는 전기전자공학과 등 타학과 학생들의 진로와 크게 다르지 않아, 많은 학생들이 정체성의 혼란을 겪고 있습니다.

그런 중, 의료기기 관리 제도와 관련 기술 기준들이 복잡해짐에 따라, 또한 최근 일자리 창출에 대한 사회적 요구가 점증함에 따라 규제업무(또는 규제과학) 전문가 분야가 하나의 독립 직업군으로 비로소 주목을 받고 있습니다. 선진국에서는 상당한 과거부터 존재하고 있었고, 우리나라에도 저와 같이 관련 분야에 종사하는 사람들이 있기는 하였지만, 의료기기 허가 서류 대리 작성과 같은 저급한 수준으로 이해하던 최근까지의 잘못된 통념을 생각할 때 인식 면에서 큰 진보가 아닐 수 없습니다.

이에 지난 2011년부터 부산 동명대학교에서 규제업무 전문가 과목을 가르치고 있는 사람으로서 남다른 격세지감을 느끼면서, 마침 이번에 경북 안동의 안동과학대학교에서 그와 동일한 취지의 강의를 요청하시어, 감사하게도, 학생들에게 새로운 진로의 가능성을 소개하는 귀한 시간을 가졌기에 그 내용을 공유하고자 합니다.

의료기기 규제업무(규제과학)가(이), 이제 더 이상, 허가를 받기 위하여 자료를 만들어 제출하는 일회성 사건 관리가 아니라, 의료기기 전 생명주기에 걸쳐 이루어져야 하는 프로세스, 즉 의료기기의 생명을 탄생시키고 양육하는 전 과정 업무, 눈에 보이지는 않지만 의료기기의 생명 유지에 반드시 필요한 업무 분야임을 강조하였습니다.

당일 발표했던 그 자료는 아니고, 강의 후 불필요한 부분은 덜어내고 내용도 약간 수정한 강의안입니다. 여기를 누르면 받아보실 수 있습니다(마우스 오른쪽 버튼을 눌러 다른이름으로 저장하십시오).