Ⅰ. 들어가는 말

국내에서 보건의료분야 및 생명의과학 분야에서의 실험동물을 이용한 연구는 꾸준히 증가하고 있다. 그러나 10년 전만 하더라도 실험동물의 품질 관리 및 시설 건축이나 운영에 대한 기준조차도 없는 국내 상황에서 실험동물 연구시설도 수적이나 질적으로나 많이 부족하였고, 정작 연구자들조차도 실험동물을 둘러싼 여러 환경적 요인이 실험결과에 미치는 여러 가지 영향에 대하여 고려하지 못하는 상황이었다.
국외에서는 1970년대 초반부터 실험동물의 중요성에 대한 인식이 확산되면서 미국 국립보건원 (National Institutes of Health, NIH)을 비롯한 여러 국가기관에서 실험동물과 관련한 법과 지침 등을 제정하여 이의 준수를 감시하여 왔다. 특히, 실험동물이 사육되고 있는 시설환경뿐만 아니라, 실험동물에게 공급되는 사육환경의 품질이 실험 결과에 중대한 영향을 미칠 수 있다는 사실을 직시하고, 미생물 및 환경 모니터링을 포함한 엄격한 품질 기준을 마련하여 이를 준수하도록 하여왔다[1, 2].
최근 실험동물 관리체계 및 품질확보 등에 대한 필요성을 국내 산업계, 학계에서 지속적으로 요구하고 있어 우리나라도 동물실험 결과의 국제적 신뢰성을 회복하고 동물실험 결과의 중요성을 인식하여 과학적이고 윤리적인 동물실험이 가능하도록 관련 시설이나 기준을 갖추려는 노력이 많은 기관으로 확산되고 있으며, 특히 식품의약품안전청 등 정부에서 최근 증가하고 있는 동물실험에 대한 적절한 관리체계를 마련하기 위하여 “실험동물에 관한 법률”을 제정(법률 제9025호, 2008.03.28.공포, 2009.03.29.시행, 법률 제9932호, 2010.1.18, 타법개정)하였으며, 이 법률에 의해 동물실험시설, 실험동물공급자의 등록, 우수동물실험시설 및 우수실험동물생산시설의 지정, 생물학적 위해물질의 보고 등을 정부차원에서 관리하게 되었다[3].
질병관리본부 내 동물을 이용한 연구 수행과제는 매년 증가하는 추세로 일 년에 약 45과제, 약 5,000여 마리의 실험동물이 사용 되는 것으로 조사되었다. 동물보호법(전면개정 2011.08.04)에 근거한 고통의 종류에 따른 동물사용 분류에 따르면 대부분이 척추동물을 대상으로 고통이나 억압을 동반하는 실험(Grade D)으로 사용되었고, 그 중 감염 실험은 생물안전 3등급 동물실험시설의 사용을 포함하여 약 70% 이상을 차지하고 있다(Table 1).
질병관리본부 실험동물시설은 생산 시설이 아닌 동물실험 수행연구시설이며, 사용하는 실험동물은 국내외 실험동물생산시설로부터 공급받고 있다. 이는 다수 연구자의 실험동물이 연구시설로 반입사례가 연중 계속되고 있고, 여러 가지 병원체를 이용하는 감염동물실은 별도로 운영하고 있어 다른 기관에 비해 실험동물의 품질 관리에 더 많은 주의와 관리가 필요하다.



본 원고에서는 감염병, 백신연구 등의 연구를 위해 감염 동물실험을 수행하면서 고려해야할 일차적인 필수조건인 생물안전 동물실험시설에 대한 이해와 연구수행 과정 중 미생물모니터링의 필요성에 대해 기술하고자 한다.




Ⅱ. 몸 말

동물실험시설은 동물의 종류, 동물실험 형태 등에 관계없이 기본적 환경요소를 반드시 갖춰야 한다. 더욱이 감염동물실험시설은 일반적인 동물실험 시설환경 조건뿐만 아니라 생물학적 위해 밀폐시설(Biohazard containment)의 생물안전연구시설로서의 운영 등 두 가지가 함께 고려되어 운영되어야 한다.
동물실험 시설의 유지 환경 조건인 온도, 습도, 환기, 조명, 소음 및 여러 가지 가변환경(거시환경)은 실험동물이 직접적으로 느끼게 되는 케이지 환경(미시환경)에 직접적인 영향을 준다. 이러한 환경은 동물들의 행동, 건강, 생리, 면역 및 실험 결과까지 영향을 미치는 것으로 보고되어 있다[1, 2].
감염병 연구또는 백신연구 등의 감염 실험연구 분야에서는 먼저 적정한 생물안전 동물실험시설에서 정상동물의 생리학적, 혈액학 및 혈액생화학적 자료를 정확하게 이해하고 분석하여 병원체의 감염 및 면역학적인 기전을 판단해야 정확한 결과를 얻을 수 있음에도 불구하고, 국내에서는 생물안전연구시설(Biosafety Levels, BL 1-3)의 설치 운영 및 체계화는 급속히 진행, 안정화되는 것에 반해 실험동물을 이용하는 생물안전동물실험시설(Animal Biosafety Levels, ABSL 2-3)은 수적으로나 질적으로 아직 많이 부족한 현실이다.
일반 동물실험시설(SPF barrier facility)과 생물안전동물실험시설의 시설환경 운영은 공통적으로 온도, 습도, 차압, 환기횟수, 조명, 소음 등의 여러 조건을 충족시켜야 하는데, 그중 일반 동물실험시설과의 가장 큰 차이점은 차압 유지 방식에 있다. 일반적으로 일반 동물실험시설은 동물실이 가장 높은 기압을 가진 양압 시설로 운영되며, 생물안전동물실험시설은 동물실이 일반 구역보다 낮은 음압 밀폐시설로 운영된다[1, 4, 5]. 질병관리본부 실험동물시설의 환경 유지기준은 Table 2와 같다.


일반적인 동물실험시설의 목적은 내부를 양압으로 하여 외부로부터 모든 감염원이나 질병원인 매개체의 침입을 방지하는 것이며, 한편 감염동물실험시설인 생물안전동물실험시설(ABSL 2-3)은 내부를 음압으로 하여 각각 병원미생물 또는 인체에 유해한 물질이 외부로 확산되는 것을 방지하도록 되어있다. 현재 국내 생물안전연구시설에 대한 시설 및 운영기준은 명확하나, 동물실험 관련 생물안전동물실험시설에 대해서는 법률에 규정되어 있는 사항에 대한 구체적인 설명이 미흡하여 생물안전연구시설 운영기준 및 일반 동물실험시설의 운영기준과 실험동물에 대한 기초자료를 참고하여 운영 중이다.
즉, 생물학적 위해물질을 사용하는 실험동물 시설은 반드시 “미생물학 및 생물의학 실험실에서의 생물학적 안전 조건을 충족시켜야 한다”는 원칙으로, 감염된 척추동물을 연구하기 위해서는 반드시 필요한 생물안전 밀폐장비와 절차가 필요하며, 이러한 절차는 미국 질병관리본부(Centers for Disease Control and Prevention, CDC)와 미국 국립보건원(NIH)이 제시한 Table 3과 같이 네 가지의 생물안전동물실험 등급(ABSL)으로 설정되어 운영, 관리되고 있고, 시설기준으로는 캐나다 Ministry of Health, Population and Public Health Branch, Center for Emergency Preparedness and Response에서 발행한 The Laboratory Biosafety Guidelines, 3rd ed.(2004)가 주요 참고자료로 사용되고 있다[2, 6, 7](Table 3).
병원체를 사용하는 감염동물실험 시설 즉 생물안전동물실험시설은 반드시 “미생물학 및 생물의학 실험실에서의 생물학적 안전 조건을 충족시켜야 한다”는 원칙으로 감염된 척추동물을 연구하기 위해서는 반드시 필요한 생물안전 밀폐장비와 절차가 필요하기 때문에, 실험동물에게 적정한 환경을 부여하는 통상적인 시설기능을 구비해야 할 뿐만 아니라 동물에서 사람으로 감염을 방지하고, 감염동물시설에서 외부로 오염을 방지하는 구조, 기능 및 제반설비를 갖추고 있어야 한다. 더욱이 내부에도 동물 상호간의 오염을 방지하는 사육장비 및 설비를 갖추고 있어야 한다. 감염동물 실험시설의 생물학적 위해 방지대책의 원칙은 감염동물을 일차격리와 이차격리의 2단계 방식으로 봉쇄하는 것이다. 일차격리는 감염동물과 실험자간의 격리로 동물의 격리 수용설비 즉, 밀폐격리사육장치에 의해 이루어지며, 이차격리는 외부에의 병원체 누출을 막기 위해 밀폐시설 등을 이용하여 감염동물실험 영역과 외부환경의 격리로 이루어진다.
감염동물실험시설, 즉 실험동물을 이용한 생물학적 위해물질 사용 연구시설인 생물안전동물실험시설의 생물안전에 대한 자세한 내용은 미국 CDC/NIH에서 발행한 Biosafety in Microbiological and Biomedical Laboratories, 5th ed.(2009)이나 질병관리본부 생물안전 3등급 연구시설 안전관리 지침(2008)등을 참고하면 된다.


감염동물 실험이 사용되는 실험동물의 정상적인 생리활성치의 비교는 동물실험 결과의 평가에 중요한 역할을 하나 일반적인 연구자는 그 중요성을 간과하는 경우가 많다. 실험동물의 정상적인 생리치 및 미생물학적인 특성은 사육환경에 따라 달라질 수 있으며, 이러한 변화는 감염동물실험의 결과에 여러 복잡한 결과를 반영하게 되어 결과의 정확도 및 재현성을 떨어뜨리게 되는 것으로 알려져 있다[1, 2, 8]. Figure 1은 감염동물실험 결과에 영향을 미치는 여러 환경 요인에 대한 모식도이다.



동물실험 연구를 수행할 때는 건강하고 스트레스를 받지 않고 주위의 환경이 평안한 상태에서 동물을 사용하여야만 가장 신뢰성 있는 실험 결과를 얻을 수 있다. 실험동물은 일정한 표준화된 실험 및 사육조건에 일정한 반응을 나타내기 때문에 감염 동물실험의 경우 더욱 유의해야 한다. 국내 실험동물시설의 미생물 오염에 대한 조사가 시작된 1993년 이후 2003년까지는 일반 동물실험시설에서 한타바이러스나 Mycoplasma pulmonis등의 감염보고가 있었고, 2003년 이후에도 여러 동물실험시설에서도 mouse hepatitis virus, Sendai virus등의 실험동물 오염사고가 간헐적으로 발생되어 해당 감염동물을 전부 도살하고 시설을 포르말린 등을 이용하여 훈증소독하는 등 학술적, 경제적 손실이 발생되었고, 이로 인한 동물실험 연구결과의 신뢰도도 저하되는 것으로 보고되었다[9].
또한, 실험동물에 의한 우발적인 획득 감염에 의해 공중보건상의 문제가 야기 될 수 있기 때문에 실험동물에 대한 미생물학적 관리는 생물보안프로그램(biosecurity)과 건강감시프로그램(healthy surveillance)로 크게 나누어 수행되어야 한다. 생물보안프로그램에는 우발적인 감염에 대해 예방과 감염봉쇄 및 감염제거 등의 내용을 포함하고 있으며, 효율적인 생물보안프로그램을 위해 아래 그림과 같은 실험동물 설치류의 기회감염 연결 고리에 대한 이해가 반드시 필요하다[2, 9](Figure 2).


감염동물실험의 경우에는 실험결과에 영향을 줄 것이라고 생각되는 주요한 여러 요인들을 반드시 미리 제거하고 난 후에 수행하여야 하는데, 이 같은 동물실험의 특성으로 인해 실험에 사용되는 동물은 생리학적으로 뿐만 아니라 미생물학적으로 균질화되어야 하며, 실험의 용도 차에 따라 각각의 특성이 다른 계통을 정확하게 선택하여 사용하여야 한다. 또한 사용되는 실험동물의 생물학적, 생리학적 특징과 더불어 질병의 이환 가능성을 고려하지 않으면, 시험 결과를 본의 아니게 왜곡할 수도 있다.
따라서 감염동물 실험에서의 더욱 유의할 부분은 실험동물의 면역력 등의 최상의 건강상태가 유지되어야 한다. 이러한 건강상태를 유지하기 위해서는 온습도 등의 시설 환경 유지 및 병원성 미생물의 오염 방지 등 사육환경의 철저한 관리와 실험동물에 공급되는 사료, 음수, 깔집 및 최적의 사육밀도 등을 유지함으로써 실험처치를 제외하고는 실험결과에 다른 영향을 주지 않도록 철저한 건강감시프로그램의 수행 및 관리가 이루어져야 한다.
실험동물이 여러 가지 요인에 의해 면역력 저하가 나타날 경우 의도하지 않은 감염성 원인체 오염에 의한 질병이 발병하게 되는데, 이는 번식효율의 저하, 실험동물의 행동, 성장률, 장기중량, 면역반응, 종양발생, 효소활성도 같은 생물학적 지표(biological parameter) 결과의 변화 또는 유병률 및 사망률 등과 같은 감염실험결과의 오차가 커지게 되어 실험 결과 해석의 오류가 생기게 된다[10-12].
일반적인 실험동물시설에서의 실험동물의 미생물학적 모니터링에 대한 연구기술개발 현황을 보면 International Council for Laboratory Animal Science(ICLAS)에서는 실험동물의 품질관리(미생물학적 및 유전학적 모니터링)에 관한 표준 검정법을 제시하였고, 마우스와 랫드의 미생물학적 품질관리 항목으로 Table 4와 같이 바이러스 20여개, 박테리아 10여종, 진균 2개종, 기생충 17개종 등을 설정하여, 항목에 따라 3개월 또는 6개월마다 미생물학적 모니터링을 실시하고 있다(Table 3). 또한 가장 활발하게 실험동물의 개발, 사육, 번식이 이루어지는 미국의 경우 Jackson 연구소, Charles River Laboratory, HarLan, Taconic 등에서는 마우스의 미생물학적 품질관리 항목으로 바이러스 17개, 박테리아 16-20개, 진균 1개, 기생충 17개를 설정하였으며, 항목에 따라 3개월 또는 6개월마다 미생물학적 모니터링을 실시하고 있으며 다양한 종류의 유전자 변형동물이 개발되면서 기존의 항목에 없던 미생물이 면역이 약한 유전자변형동물에서 병원성을 나타내어, 이러한 미생물이 미생물학적 품질관리 항목으로 새롭게 추가되고 있다[13](Table 4).
국내에서는 한국생명공학연구원이 International Council for Laboratory Animal Science(ICLAS) Monitoring Subcenter Korea로서 국제적으로 인증되어 1994년 이래로 ICLAS기준에 의거 국내 산학연의 실험동물에 대한 유전 및 미생물 모니터링을 실시해오고 있다. 국내 관련 기준으로는 생물학적 제제의 제조에 사용되는 동물인 제조용 동물의 경우 1998년 4월 식품의약품안전청이 “제조용동물의 사육 및 관리에 관한 기준”을 고시하였으며, 2001년 9월, 검사대상 미생물항목을 규정하여 개정되어 기준으로 사용되고 있다[9, 11, 12].


국내 대부분의 일반 동물실험시설의 미생물모니터링 수행은 자체 기관의 판단에 의해 몇 가지 항목만을 규정하여 검사하고 있으며, 실시 동물실험시설도 2011년 식품의약품안전청 등록 시설인 약 379개(2012.07기준) 시설 중 35% 정도의 수준이다. 이와 같은 국내 실정에서 생물안전동물실험시설의 미생물 모니터링은 감염병원체와의 상호관계를 고려한 특수 모니터링 항목이나 기준을 적용해서 더 엄격히 수행되어야 함에도 불구하고, 검색 대상 미생물의 항목조차도 국내 일반 동물실험 시설의 형태인 청정구역 내 동물들에 대한 모니터링 수행기준에 준할 수밖에 없는 현실이다[13-15].
이에 생물안전3등급연구시설의 설치·운영의 국가 관리를 담당하는 질병관리본부 생물안전평가과에서는 생물안전동물실험시설의 설치 기준 및 운영기준을 마련하고 있으며, 향후에는 더 나아가 생물안전 동물실험시설의 설치류에 대한 미생물 모니터링 뿐 만이 아닌 영장류에 대한 미생물 모니터링 체계를 구축하여 생물안전3등급연구시설의 국내 체계화 및 선진화를 위해 노력하고 있다.




Ⅲ. 맺는 말

실험동물의 미생물에 의한 오염(감염)을 확인하기 위한 미생물모니터링은 실험동물의 생명과 건강에 영향을 주는 요인 중에서 생물학적 인자를 규명하고 제거함으로써 질병을 예방하고 실험결과의 정확성 및 재현성을 유지하고 더 나아가 우발적인 실험동물로부터의 실험실 획득감염을 사전 예방하는데 목적이 있다.
또한 감염 동물실험에 있어서는 여러 가지 요인이 단독 또는 복합적으로 작용하여 실험동물의 병태를 초래할 가능성이 있는데, 특히 동물실험에서는 필연적으로 가해지는 실험 처치에 따라 잠재적인 각 병인의 영향이 증폭되는 일이 많아서 불필요한 반복 실험을 초래할 수도 있으며 동물의 복지차원에서도 문제시 되는 실험동물의 감염성 질병을 예방하고, 근절하는 대책을 마련하는 것이 매우 중요하다고 할 수 있다. 따라서 병원체를 사용하는 감염 동물실험의 수행 과정은 지속적으로 평가되어야 하고, 신뢰성과 재현성을 보증할 수 있어야 한다. 이를 위해 실험에 사용되는 동물을 사육하는 시설의 환경요인을 일정하게 유지하는 것이 매우 중요할 뿐만 아니라, 시설오염 및 실험동물 오염을 예방하기 위해서라도 감염 동물실험실 내 엄격하고 적절한 실험동물의 건강 모니터링 및 미생물 모니터링의 수행 및 결과의 검토가 반드시 동반되어야 한다.
따라서 일반적으로 실험동물을 생산, 번식하는 시설에서의 미생물모니터링의 중요성과 같이 감염동물실험시설에서 생물안전과 마찬가지로 동물실험결과의 정확성 및 재현성을 확보하기 위한 실험동물에 대한 미생물모니터링의 중요성을 간과하여서는 아니 될 것으로 사료된다. 더욱이 항체생산, 백신연구 등의 만성 감염실험군을 포함한 동물실험에서는 체계적이고 주의 깊은 모니터링 수행만이 동물실험 수행기간 동안의 실험동물의 품질 및 결과에 관한 객관성을 유지하고 더 나아가 실험실 획득감염을 예방할 수 있기 때문이다. 또한 감염동물실험을 하는 동안 병원체의 감염뿐만 아니라, 동물실 간의 사람, 기구의 출입은 매개체(vector)로 작용하여 실험동물을 감염시킬 수 있고, 동물건강상태가 달라 질 수 있어 실험결과에도 영향을 미칠 수 있음으로 실험동물의 적절한 미생물 모니터링을 통하여 감염 동물실험의 정확도 및 신뢰도를 한 단계 더 높이는 계기가 될 수 있을 것이다.




Ⅳ. 참고문헌

1. National Academy press. Guide for the Care and Use of Laboratory Animals. 2006.
2. James G. Fox, Lynn C. Anderson, Franklin M. Loew, Fred W. Quimby. Laboratory Animal Medicine. 2002.
3. KFDA. National Toxicology Program. The Annual Report. 2002.
4. 보건복지부 질병관리본부. 질병관리본부 생물안전 3등급 연구시설 안전관리 지침. 2008.
5. 보건복지부 질병관리본부. 생물안전 3등급 연구시설 검증기술서. 2010.
6. James et al. WHO Bio-risk Management: Laboratory Bio-security Guidance. 2006.
7. CDC/NIH. Biosafety in Microbiological and Biomedical Laboratories. 2009.
8. Rehbinder C, Baneux P, Forbes D, Van Herck H, Nicklas W. Rugaya Z and Winkler G. FELASA recommendation for the health monitoring of mouse, rat, hamster, gerbil, guineapig and rabbit experimetal units. Laboratory animals, 30, 193-208, 1996.
9. KFDA. National Toxicology Program annual report. 2006.
10. Nicklas W. International harmonization of health monitoring. ILAR J. 49(3), 338-346. 2008.
11. 임철주 et al.. 동물실험실에 따른 미생물학적 모니터링 및 실험동물의 품종에 따른 생리학적 연구. The Annual Report of KFDA. Vol. 7, 292-296. 2003.
12. Jacoby RO, Lindsey R.. Risk of Infection among Laboratory Rat and Mice at Major Biomedical Research Institutions. ILRA Journal. 39(4), 1998.
13. KFDA. 실험동물 품질관리를 위한 검사지침 개발. The Annual Report. 2007
14. KFDA. 실험동물에서 신속한 병원성 세균 감염 진단을 위한 검사기술 개발 연구. The Annual Report. 2009.
15. KFDA 실험동물제도 홈페이지(www.kfda,go.kr/labanimal).