[2025년 1월 과학기술인상] 뇌과학 융합연구로 비만치료제의 식욕억제 기전 규명한 서울대 최형진 교수

과학기술정보통신부와 한국연구재단은 이달의 과학기술인상 1월 수상자로 서울대학교 뇌인지과학과 최형진 교수를 선정했다.

‘이달의 과학기술인상’은 우수한 연구개발 성과로 과학기술 발전에 공헌한 연구개발자를 매월 1명씩 선정하여 과기정통부 장관상과 상금 1천만 원을 수여하는 상이다.

과기정통부와 연구재단은 최형진 교수가 대사질환과 심뇌혈관질환 치료제로 알려진 글루카곤 유사 펩타이드-1(이하 ‘GLP-1’)의 식욕억제 기전을 규명하여 비만과 대사 질환 개선에 크게 기여한 공로를 인정받았다고 밝혔다.

*글루카곤 유사펩타이드-1(GLP-1, Glucagon-like peptide-1):
음식 섭취 시 위장관의 세포에서 분비되는 위장관 호르몬으로, 인슐린 분비를 촉진하고 식욕을 억제하는 역할을 함.

GLP-1은 식사 후 장(腸)에서 분비되어 인슐린 분비를 촉진하고 식욕을 억제하는 호르몬이다. 그동안 이 호르몬의 유사체인 GLP- 1 기반 치료제는 2005년 당뇨병 치료제로, 2014년에는 비만치료제로 미국 FDA의 승인을 받아 세계적으로 널리 사용되어 왔다.

특히 최근에는 GLP-1 기반 비만치료제들이 강력한 체중 감소 효과와 함께 심혈관 질환을 낮추는 효과가 입증되며 꾸준히 수요가 늘고 있으나, GLP-1이 뇌의 어느 부위에서 작용하여 식욕을 억제하는지에 대한 기전이 명확히 밝혀진 바가 없었다.

이에, 최형진 교수는 최근 뇌과학과 내분비학의 융합연구를 통해 GLP-1이 뇌의 시상하부에 작용하여 음식을 인지하는 것만으로도 포만감을 유발하고 식욕을 억제한다는 사실을 규명했다.

*시상하부:
율신경계와 호르몬 분비 등을 조절하며 신체 항상성을 유지하는 역할을 하는 뇌의 한 부위.

최형진 교수 연구팀은 사람의 뇌 조직에서 GLP-1 수용체(GLP-1 receptor, GLP-1R)의 분포를 분석한 결과, 시상하부 신경핵에서 높은 발현을 확인했다. 이를 바탕으로 첨단신경과학 기술인 광유전학을 활용한 쥐 실험을 통해, GLP-1 수용체 신경을 인위적으로 활성화하면 즉각적인 식사 중단을 유도하고, 반대로 억제 시 식사가 지속됨을 입증하였다.

*GLP-1 수용체:
GLP-1 호르몬이나 약에 반응하는 단백질. GLP-1 수용체 신경은 GLP-1 에 대해 반응할 수 있음.

*광유전학:
학과 유전학을 결합한 기술로 생체 조직 및 신경 세포들의 활동을 조절‧관찰하고 신경활동의 조절이 어떠한 효과를 유발하는지 실시간으로 확인할 수 있음.

이번 연구 결과는 GLP-1 식욕억제제의 뇌작용 기전을 명확히 규명한 중요한 과학적 성과로 평가받고 있으며, 2024년 6월 세계적인 과학 저널인 사이언스(Science) 온라인판에 게재되었다. 이 연구는 비만과 대사질환 치료제 개발에 새로운 가능성을 제시하며, 글로벌 의료 연구에 큰 기여를 할 것으로 기대된다.

최형진 교수는 “이번 연구는 식욕이 뇌에서 어떻게 조절되고, GLP-1 식욕억제제가 어떻게 작동하는지를 뇌과학 도구를 활용하여 규명한 점에서 의의가 크다”라며 “앞으로 현대인들의 대사질환 발병 원인을 규명하고, 새로운 식욕억제제 개발에 도전하겠다”라고 수상 소감을 밝혔다.

[최형진 교수 인터뷰]

간편한 인스턴트식품과 배달음식, 점점 더 달고 짜고 매워지는 자극적 음식들이 알코올 중독 못지않게 심각한 음식중독, 나아가 괘락중독을 유발합니다. 이로 인한 과도한 칼로리 섭취는 대사질환의 주원인이 되어 현대인의 건강을 심각하게 위협합니다.

서울대 최형진 교수는 2024년 GLP-1 유사체인 비만치료제가 우리 뇌에서 작용하는 기전을 밝혀 주목을 받은 의과학자입니다. 의료 현장에서 환자들이 겪는 음식중독과 괘락중독을 보며 ‘욕망은 어떻게 우리 행동을 조절할까?’라는 질문을 품게 되었고, 그 답을 찾기 위해 기초연구자의 길로 전향하여 뇌와 식욕의 관계를 밝히는 데 매진해왔습니다.

▶임상 현장의 경험을 바탕으로 신경과학과 내분비학의 융합연구를 개척하셨습니다. 교수님의 연구 주제를 소개해주세요.

▷욕망은 어떻게 우리의 행동을 조절할까요? 에너지가 부족할 때 배고픔을 느껴 음식을 섭취하는 것은 우리를 건강하게 합니다. 하지만, 충분히 잘 먹은 후에도 쾌락 때문에 중독적으로 과도한 고칼로리 디저트를 먹는 행동은 대사질환을 유발합니다. 100년 전에는 거의 없었던 이런 쾌락적이고 중독적인 과식에 의한 대사질환이 최근 급격히 증가하고 있습니다. 이는 비만, 당뇨병, 심뇌혈관질환 등 다양한 질병의 원인으로 작용합니다. 저는 인간의 욕망이 뇌에서 어떻게 조절되는지 그 원리를 알아내고자 합니다. 이는 현대인을 다시 건강하게 할 수도 있고, 효과적인 치료 방법을 개발할 수도 있는 매우 중요한 질문입니다.

▶의대 졸업 후 10년간 내분비내과 교수로 환자 진료에 매진하시다 기초의학의 길로 전향하셨습니다. 계기가 있으셨나요?

▷내분비내과 전문의로 당뇨병과 비만 환자들을 진료했습니다. 심근경색 등으로 죽을 고비를 넘기고, 혈당조절을 배우기 위해 비장한 각오로 입원 치료를 받으면서도 과자를 비롯한 음식에 대한 욕망을 참지 못하는 환자가 많았습니다. 과도한 음식이 자신을 죽일 수 있음을 알면서도 먹는 걸 포기하지 못하는 이유는 무엇일까요? 인류가 식욕과 음식 중독으로 병들어 가는 모습을 가까이서 관찰하며, 이를 해결하는 것이 그 어떤 사회적, 의학적 문제보다도 시급하고 중요하다고 생각하였습니다. 의료 현장에서 직접 경험한 욕망의 문제를 해결하여, 인류를 더 건강하게 하는 데 일조하고 싶었고, 문제의 해법을 찾을 수 있는 뇌과학 연구에 집중하기 위해 기초과학 연구에 매진하는 기회를 선택했습니다.

▶100세 시대가 도래하며 비만과 대사질환 같은 만성질환 해결은 인류 공통의 숙제가 되었습니다. 최근 비만치료제인 ‘GLP-1’이 체중을 줄여주는 작용 원리를 규명하여 많은 주목을 받으셨습니다. 연구 이야기에 앞서 ‘GLP-1’과‘GLP-1 수용체’란 무엇인지 먼저 설명해 주세요.

▷GLP-1은 주로 장에서 만들어지는 호르몬으로 식후에 분비됩니다. GLP-1 호르몬은 인슐린 분비 촉진과 식욕 억제와 같은 작용을 하기에, GLP-1 호르몬과 유사한 약을 만들어 비만과 당뇨병 치료제로 사용하고 있습니다. 이런 GLP-1 약은 인체의 GLP-1 수용체 단백질에 결합하여 그 작용을 나타냅니다.

▶GLP-1 수용체의 작용 원리를 밝히고자 한 이유는 무엇인가요?

▷20년 전 제가 전공의였던 시절에도 GLP-1 약은 당뇨병 치료 목적으로 사용되었습니다. 또 얼마 후에는 식욕억제 효과가 우연히 발견되며 비만 치료제로도 사용되었습니다. 지금도 강력한 식욕억제제들이 수많은 환자들에게 큰 도움을 주고 있었습니다. 하지만, 이들 약이 구체적으로 뇌의 어느 부위에 작용하여 식욕을 억제하는지에 관한 뇌과학적 기전은 밝혀지지 않았습니다. 의사이자 과학자로서 기전을 모르는 약을 수많은 환자에게 사용하는 것이 안타깝고 부끄러웠습니다. 따라서 그 기전을 밝히는 일은 인류에게 매우 중요한 질문이라고 생각하고, 저희 연구팀에서 GLP-1 식욕억제제의 작용 기전 규명 연구를 시작하였습니다.

▶이번 연구의 의의와 성과도 알려주세요.

▷GLP-1 식욕억제제를 복용하는 중에는 음식을 삼키기도 전에 음식 냄새를 맡고 입에서 맛을 보는 음식 감각만으로도 배불러짐 증상이 높아지는 것을 임상시험을 통해 과학적으로 증명했습니다. 또한 사람 뇌 조직 실험을 통해, ‘등쪽 안쪽 시상하부 신경핵(Dorsomedial hypothalamus, DMH)’에 GLP-1 수용체가 있다는 것을 발견했습니다. 이후 실험쥐의 DMH에 존재하는 GLP-1 수용체 신경을 인위적으로 활성화시키거나, 억제시키는 실험을 통해, 이 DMH GLP-1 수용체 신경들이 배불러짐 유발 기능이 있음을 보여 주었습니다. 또한, DMH GLP-1 수용체 신경의 활성 관찰 실험을 통해서 음식을 삼키기도 전에 음식을 먹을 것으로 예상하는 상황에도 신경 활성이 높아지는 것을 보여 주었습니다. 마지막으로, GLP-1 식욕억제제를 주사하면 DMH GLP-1 수용체 신경들이 음식을 먹을 것으로 예상하는 상황에서 더 빠르게 활성이 높아지는 것을 증명했습니다. 이런 실험들로 GLP-1 식욕억제제의 사람에게서 증명한 배불러짐 증가 효과가, 이 DMH GLP-1 수용체 신경에 의해 만들어진 것이라고 제시했습니다.

▶이 밖에도 식욕 뇌중추 중 음식 탐색과 음식 섭취를 담당하는 신경 발견(Nature Communications(2023.2)과 식욕 뇌중추 영장류 기전 발견(Neuron 2024.4)과 같은 선행연구도 진행하였습니다.

▷신경발견(Nature Communications) 논문은 음식 탐색을 유발하는 신경과 음식 섭취를 유발하는 신경이 가측시상하부 안에 2가지 신경군으로 각각 따로 존재한다는 것을 쥐 실험으로 보여준 연구입니다. 식욕 뇌중추 영장류 기전 발견(Neuron) 논문은, 이 쥐의 실험이 영장류에도 재현될 수 있는지를 입증하기 위해, 이 같은 가측시상하부의 신경을 인위적으로 조작하는 실험을 원숭이에게 수행하여, 이 신경회로가 인간 질병 치료에 활용될 수 있음을 제시했습니다.

▶식욕에 대한 뇌과학적인 기전을 연구하는 방법과 과정도 소개해 주세요.

▷가장 주요한 연구 방법은 신경활성을 실시간으로 관찰하거나 조작하는 것입니다. 과거에는 살아있는 동물의 신경을 관찰하거나 조작하는 것이 매우 어려웠습니다. 하지만 최근 광학적으로 신경활성을 형광밝기로 변환시키거나, 레이저 등을 활용해 신경활성을 인위적으로 높이거나 낮추는 광유전체 기술이 개발되었습니다. 이를 이용하면 살아있는 쥐와 원숭이의 뇌신경을 관찰하거나 조작하여, 각각의 신경들이 어떤 역할을 하는지 과학적으로 증명할 수 있습니다. 10년 전 제가 뇌과학을 선택한 이유 중 하나도, 이 방법을 사용해 환자들을 진료하며 궁금했던 식욕과 중독을 담당하는 신경을 찾을 수 있을 것이라는 확신 때문이었습니다.

▶사회적으로 건강에 대한 관심이 높아지는 만큼 교수님의 연구 성과가 국민의 삶의 질 향상에 중요한 역할을 할 것으로 기대가 큽니다.

▷단기적으로는 비만과 당뇨병 환자들을 질병의 고통에서 벗어날 수 있을 것입니다. 이와 같은 식욕억제제는 관련 환자의 사망률을 20%나 감소시키는 효과를 입증했습니다. 저희 분야 연구를 통해서, 보다 효과적인 식욕억제제를 개발하거나, 근본적인 음식 중독 치료제를 개발한다면, 더 많은 환자들이 건강해질 것입니다.

장기적으로는 인류가 최근 50년 동안 급격하게 비만한 인류로 변화해 온 흐름을 되돌려서 예전처럼 건강한 인류로 돌아갈 수 있을 것이로 생각합니다. 인류가 급격히 비만해지고 당뇨병, 심뇌혈관질환이 증가한 가장 큰 요인은 음식 중독이라고 생각합니다. 음식 중독에 대해서도, 좋은 과학적 발견을 통해서, 후손 인류는 음식 중독으로부터 보호받아 보다 건강한 인류로 살아갈 수 있길 기대합니다.

▶경쟁력 있는 연구의 원동력은 무엇인가요?

▷선명한 목표라고 생각합니다. 식욕이라는 주제가 어떻게 이 시대 환자들과 나를 고통 받게 하는지 그 중요성을 선명하게 알고 있기에, 한 질문에 집중하고 몰입할 수 있었습니다. 이 목표를 위해 다양한 뇌과학 도구들과 쥐, 원숭이, 사람 등 다양한 연구에 집중하여 시너지를 높였습니다.

▶서울대에서 대사조절 기능신경해부학 연구실을 이끌고 계십니다. 평소 학생들과 연구원들에게 강조하는 자세는 무엇인가요?

▷도전하는 정신입니다. 정답을 맞추려는 강박에서 벗어나, 기존에 정답이라고 알려진 이론들에 대해, 창의적으로 도전하길 당부합니다. 많은 학생들이 수년간 정답을 맞추는 시험에 길들어져 틀릴까 봐 무서워 도전을 주저합니다. 하지만, 과학자는 창의적으로 시도하고 도전하며, 틀려도 다시 도전하기를 반복하는 것이 자연스러운 일입니다. 또 하나 강조하는 것은 자신이 좋아하는 일에 몰입하는 특권입니다. 의사를 포함한, 대부분의 직업은 다른 사람을 위해서 주어진 일을 합니다. 하지만, 과학자는 자기 자신이 좋아하고 하고 싶은 일에 몰입하는 특권이 있습니다. 취미와 직업이 일치하는 삶을 살 수 있습니다. 이런 행복한 삶을 원하는 분들에게 과학자의 삶을 추천합니다.

▶교수님은 임상의의 삶도 연구자의 삶도 모두 경험하셨습니다.

▷임상의와 기초연구자는 각각 독특한 장점이 있습니다. 임상의는 직접 만난 환자 한분 한분에게 도움을 주는 보람을 느낄 수 있습니다. 반대로, 기초연구자는 인류 전체에 기여할 수 있는 보람이 있습니다. 제가 느끼는 임상의와 기초연구자의 가장 중요한 차이점은 지적 역할의 차이입니다. 임상의는 기존에 정해진 가이드라인대로 보수적으로 역할을 수행하지만, 기초연구자는 기존 가이드라인과 학설을 따르기 보다는, 창의적으로 새로운 시도를 하고, 도전하는 점이 가장 매력적입니다. 특히 임상 경험을 바탕으로 기초연구를 하는 경우에는, 실제 환자분들이 겪는 가장 중요한 문제를 정확하게 알기에 더 중요한 질문을 던질 수 있다는 점에서 연구에 큰 시너지를 낼 수 있습니다.

▶연구자의 길을 시작하며 어려움이나 고비는 없으셨나요?

▷새로운 분야에 도전하는 어려움이 있었습니다. 특히 도구들에 대해 잘 모르는 것이 어려웠습니다. 이를 극복하기 위해 관련 분야 학회, 워크샵 등을 적극적으로 찾아다녔고, 또 제일 앞에서 몰입해서 공부했습니다. 더 중요한 것은 이 분야의 다양한 과학자들에게 도움을 요청한 점입니다. 전국의 여러 연구실을 찾아다니며 낮은 자세로 도움을 요청하고 배웠습니다. 새로운 과학자 집단에 들어가는 것도 어려웠습니다. 기존 내분비내과 관련 분야 학회는 어느 정도 익숙해졌었지만, 뇌과학 분야 학회에서는 이방인이었습니다. 어색함을 이겨내고 적극적으로 다가가서 집단 지성의 일원이 되기 위해 노력했습니다.

▶연구자로서 가장 행복한 순간은 언제 신가요?

▷저의 지적 통찰력을 통해서 인류에 도움이 되는 연구를 해냈다고 느끼는 순간 가장 행복합니다. 희미하게 가려져 있던 뇌과학의 신비가 20년 동안 한 주제를 고민해오면서 점점 더 서서히 드러나는 기분을 느낍니다. 식욕의 뇌과학 분야에서 미개척 신비로운 질문들에 대해, 세계의 여러 과학자들과 함께 한 마음의 집단 지성으로서 함께 개척해갈 때 보람을 느낍니다.

▶앞으로 도전하고 싶은 연구 목표와 계획에 대해 말씀해주세요.

▷첫번째 목표로, 식욕 연구에 더 나아가, 욕망이란 무엇인지? 쾌락이란 무엇인지? 어떻게 우리는 중독되어 가는지? 심리/철학의 근원적인 질문들을 동물과 사람에 대해 실험적으로 입증하려 합니다. 우리 생각과 마음이 어떻게 작동하는지, 나 자신에 대해 더 깊이 이해하려 합니다. 두번째 목표로 식욕 연구로 직접 사람들을 돕고 싶습니다. 현재 유행하는 GLP-1 계열 식욕억제제를 능가하는 보다 근본적인 식욕과 음식중독을 치료하는 약, 유전자 치료제, 전자약 디지털치료제 개발에 도전하고자 합니다. 더 근본적으로는, 인류가 음식중독과 비만 문제로부터 근본적으로 벗어날 수 있는 사회문화정책 활동을 할 계획입니다.

▶교수님은 언제부터 의사와 과학자의 꿈을 키우셨나요? 미래 연구자를 꿈꾸는 학생들에게 당부 또는 조언도 한 말씀 부탁드립니다.

▷초등학교 시절 생리학자였던 할아버지와 내분비내과 의사이자 의료기기 개발자였던 아버지와 함께 살면서 과학자가 되고 싶었습니다. 고등학교 시절에는 천문학자가 매일 자신이 좋아하는 일을 즐겁게 하는 모습을 가까이서 보며 꿈을 키워갔습니다. 환자를 진료하면서, 또 제 자신의 식욕을 느끼면서, 이 흥미로운 연구 주제에 매료되었습니다. 학생들에게는 과학자의 길을 추천하는 말을 전하고 싶습니다. 과학자로서 자신이 좋아하고 관심을 가지는 주제에 대해, 새로운 도전을 하며 행복하게 살 수 있는 장점을 알려주고 싶습니다. 그 어떤 경제적 보상보다도 뜻깊고 자신만의 즐거움과 성장이 있는 과학자의 길을 도전하는 것을 추천합니다.