[생리학] 1. 신체기능의 연구 (1) 생리학 입문

1. 신체기능의 연구

 

1.1 생리학 입문

생리학은 신체가 세포에서 조직으로, 조직에서 기관으로, 기관에서 기관계로 어떻게 작용하는지, 그리고 유기체가 생명을 유지하는데 필수적인 활동을 어떻게 수행하는지와 같은 전반적인 기능에 대한 연구입니다. 생리학에서 중요한 것 중 하나는 인과 관계와 관련된 문제를 확인하는 것인데, 여기에는 해부학, 생화학, 화학, 그리고 물리학이 포함됩니다.

 

 

생리학 연구의 궁극적인 목적은 세포, 장기, 그리고 시스템이 어떻게 정상적으로 기능하는지 이해하는 것입니다. 이와 관련된 학문인 병태생리학(pathophysiology)은 질병이나 부상이 발생했을 때 생리적 과정이 어떻게 변화하는지를 연구하는 학문입니다. 

병태생리학과 정상생리학의 연구는 상화보완적인 관계가 있습니다. 예를 들어, 장기의 기능을 연구하는 표준 기술은 수술에 의해 실험동물로부터 장기를 떼어냈을 때나 그 기능이 특이적으로 변화했을 때 나타나는 현상을 조사하는 것입니다. 이러한 연구는 특정 장기의 생리적 기능에 특정한 장애를 일으키는 질병을 통해 도움을 받을 수 있습니다. 질병이 발생하는 과정을 연구함으로써 정상적인 기능을 이해할 수 있고, 정상적인 생리학적 연구가 현대의학의 과학적 토대를 마련할 수 있기 때문입니다. 이러한 학문적 연관성은 '생리학과 의학' 분야에서 노벨상을 수여하는 노벨상 위원회에서 인정하고 있습니다.

척추동물과 무척추동물을 비교하는 비교생리학은 인체생리학 연구에 도움이 됩니다. 이것은 사람을 포함한 동물들, 특히 사람과 다른 포유동물들을 비교할 때 차이점보다 더 많은 유사점을 가지고 있기 때문입니다. 그리고 사람과 다른 포유류 사이의 작은 생리적 차이는 약물 개발에 매우 중요한 영향을 줍니다.

 

(1) 과학적 방법

과학적 방법에 사용되는 많은 기술들은 모두 세 가지 공통적인 특성을 가지고 있습니다. 

1. 자연계는 우리가 이해하는 용어로 설명이 가능하다는 점
2. 실제 관찰과 다른 관찰에 의해 변경되거 반증될 수 있는 자연계에 대한 서술과 설명
3. 우리가 틀릴 수도 있다는 사실을 겸허히 받아들이는 자세 등

우리가 틀릴 수도 있다는 사실을 겸허히 받아들이는 자세 등연구를 통해 개념적인 문제가 발생했을 때 그에 따라 적절히 조절되어야 합니다. 과학적 방법은 우리의 이성적인 능력, 정직함, 겸손함을 바탕으로 합니다.

과학적 방법에는 특정 단계가 있습니다. 먼저 자연계에 일어나는 현상을 관찰하고, 그다음에 가설을 설정합니다. 가설 (hypoghesis)이 과학적인 근거를 가지려면 실험이나 관찰에 의해 반증되어야 합니다. 예를 들어 규칙적으로 운동하는 사람이 그렇지 않은 사람보다 맥박 수가 낮다고 가정합니다. 그런 다음 실험을 수행하거나 관찰을 하고 분석하여 새 결과가 그 가설을 지지하는지 아니면 반증하는지 결론을 내립니다. 가설이 이런 검증을 거치면 일반적인 학설(theory)로 정립될 수 있습니다. 과학 이론은 증명된 가설의 진술입니다. 그리고 그 이론은 이러한 가설들이 상호 연관되어 있다는 논리적 시스템의 역할을 하며 아직 검증되지 않은 예측에 대한 기본적인 정보를 제시합니다. 

앞에 나열된 예시는 검증 가능하기 때문에 과학적입니다. 즉 100명의 운동선수와 100명의 앉아서 지내는 사람 사이에 맥박수가 통계적으로 유의한 차이가 있는지 확인해보겠습니다. 만일 차이가 있다면 운동선수가 앉아 있는 사람보다 평균 맥박이 낮다는 진술은 정당화될 수 있습니다. 하지만 이 결론이 틀릴 수도 있다는 것을 명심해야 합니다. 어떤 발견이 하나의 사실로 일반화되기 전에 다른 과학자들은 그 발견을 지속적으로 반복할 수 있어야 하는데, 과학적 이론은 이렇게 반복될 수 있는 데이터에 기초하고 있습니다.

다른 과학자들이 실험을 계속해서 시도할 때, 결과는 약간 다를 수 있습니다. 맥박수의 차이가 운동의 내용 및 유형과 같은 다른 요인에 따라 달라질 수 있다는 가설을 설정할 수 있습니다. 과학자들은 이러한 가설을 시험하고 설명 가능한 새로운 가설을 요구할 때 새로운 문제에 직면합니다. 이와 같은 과정을 통해 많은 양의 전문적인 정보가 축적될 수 있고 보다 일반화된 과학 이론이 정립될 수 있습니다. 실험 결과는 기존의 선입관과 다를 수 있습니다. 과학자들은 추가적인 실험을 하는 동안 새로운 개념이 다시 바뀔 수 있다는 가능성에 항상 열려 있어야 합니다.

 

◎ 약물 개발

신약의 개발은 과학적인 방법이 생리학과 건강문제에 어떻게 적용될 수 있는지 보여주는 예입니다. 일반적으로, 개발과정은 세포 및 분자 수준에서의 기초생리 연구로 시작됩니다. 이 신약은 세포배양기술을 이용하여 개발될 수 있는데, 예를들어 세포막 운반 연구를 통해 특정 계열의 약물이 Ca2+ 이온의 막 채널을 차단한다는 것을 발견했습니다.

하나의 약물이 in vito의 매우 낮은 농도에서 효과가 있다면 독성이 아닌 낮은 농도의 in vivo에서 효과가 있을 수 있습니다. 이러한 가능성은 주로 쥐와 같은 실험동물을 사용하여 철저히 검증되어야 합니다. 실험동물에서 검증된 90% 이상의 약물은 추후 실험에서 독성이 있는 것으로 알려져 있습니다. 따라서 소수의 독성이 매우 낮은 사례들은 인체 임상실험을 통해 개발될 수 있습니다.

Ⅰ단계 임상실험(phase Ⅰ clinical trial)에서는 건강한 지원자를 대상으로 약물을 테스트 합니다. 그 테스트는 사람에게 약의 독성을 검증하고 약물이 어떻게 대사 되는지, 간과 신장에서 얼마나 빨리 제거되는지, 그리고 어떻게 가장 효과적으로 투여될 수 있는지를 연구하기 위한 것입니다. 독성 효과가 관찰되지 않으면 테스트의 다음 단계를 진행합니다. Ⅱ단계 임상실험(phase Ⅱ clinical trial)에서는 고혈압 환자 등과 같은 표적인간집단에 약물을 테스트 합니다. 약물이 효과적이고 독성이 최소인 예외적인 경우에만 다음 단계를 진행됩니다. Ⅲ단계 시험(phase Ⅲ trial)은 시험 대상자의 수를 최대화하기 위해 전국의 많은 실험실을 통해 수행합니다. 그것은 다른 인종뿐만 아니라 많은 여성과 남성을 테스트하고 고혈압을 가진 당뇨병 환자와 같은 하나 이외의 다른 질병을 가진 환자도 포함시킵니다. Ⅲ단계 시험이 통과되면 식품의약품국 (Food and Drug Administration, FDA)으로부터 최종 승인을 받아야 합니다. Ⅳ단계 시험(phase Ⅳ trial)에서는 다른 용도의 가능성을 테스트합니다.