파울 에를리히와 메틸렌 블루: 염료가 신약 발견에 기여한 과정

파울 에를리히가 의학에 남긴 공헌은 약물 하나가 아니었다. 약물을 어떻게 바라볼 것인가에 관한 논리였다.

1878년 그는 첫 부분의 제목이 「염색의 화학적 개념」인 박사학위 논문을 제출했다. 그 논지는 조직 절편을 염색하는 일과 천 조각을 물들이는 일이 같은 원리를 따른다는 것이었다. 두 경우 모두 색이 붙는 이유는 염료와 물질 사이의 화학적 친화성에 있지, 조직이 흡수성이 있거나 지방질이 많거나 색소를 가두는 형태여서가 아니라는 것이다. 에를리히는 사촌이자 병리학자인 카를 바이게르트가 염색 절편을 만드는 모습을 보며 자랐다. 그의 관심을 붙잡은 것은 그 이미지가 아니라 염료가 이동할 곳을 선택한다는 사실이었다.

소박한 주장처럼 들리지만 그렇지 않다. 염료가 화학적 이유로 조직에 결합한다면, 염색 양상은 그 조직의 화학적 특성을 알려 주는 자료가 된다. 염색된 슬라이드는 더 이상 단순한 그림이 아니라 측정 수단이 된다.

그는 곧바로 이 생각을 발전시켰다. 1880년 메틸렌 블루와 산성 푹신을 혼합하고 이를 중성 염색제, 즉 중성 색소체라고 불렀다. 이 혼합물은 당시 사용하던 단일 염료로는 구분할 수 없던 백혈구의 여러 종류를 구분했다. 2년 뒤에는 메틸 바이올렛으로 결핵균을 염색하는 방법을 발표했고, 코흐는 자신의 연구에 이 절차를 도입했다.

훗날 이러한 실험에 공통의 토대를 제공한 이론은 별개의 이야기이며, 그 시기는 흔히 뭉뚱그려진다. 어떤 물질이 세포에 작용하는 이유는 둘이 화학적으로 맞아떨어지기 때문이라는 에를리히의 측쇄 이론은 염료 연구 시기가 아니라 1890년대에 속한다. 초기 연구가 제공한 것은 그에 앞선 확신이었다. 선택성은 화학적 성질이며, 따라서 우연히 마주치기를 기다리는 대신 의도적으로 찾아낼 수 있다는 확신이다.

염료를 지도로 바꾼 실험

1885년 에를리히는 생물체의 산소 요구량에 관한 연구서를 출간했다. 부제는 색 분석 연구였다. 산화 상태에 따라 색이 달라지는 염료를 주입한 뒤, 여러 장기가 이를 어떻게 환원하거나 그대로 유지하는지 비교하는 방법이었다. 염료는 온도계처럼 측정 도구로 쓰였다. 직접 살펴볼 수 없는 조직 내부의 상태를 알려 주었기 때문이다. 에를리히가 직접 밝힌 목적은 특정 염료의 도움을 받아 살아 있는 장기의 환원 능력을 알아내는 것이었다.

메틸렌 블루에 관한 결과는 1886년 살아 있는 신경 조직과 염료의 반응을 다룬 논문에서 나왔다. 이 논문은 전년도 12월 의학회에서 발표되었다. 살아 있는 동물의 순환계에 메틸렌 블루를 주입하고, 얇은 조직 절편을 떼어 내 공기에 노출했다. 그러면 축적된 무색 염료가 다시 파란색으로 산화되어 어디에 모여 있었는지 드러났다. 신경세포와 신경섬유가 염색되었고, 그 선택성이 충분히 뚜렷해 이 기법은 신경 조직을 보여 주는 표준 방법이 되었다. 이 화합물은 더 이상 실험대 위의 죽은 조직 절편에 바르는 착색제에 그치지 않았다. 살아 있는 몸 안에서 스스로 분포하는 표지자였고, 그 분포를 읽어 낼 수 있었다.

두 실험의 바탕에 있는 성질은 분명히 짚고 넘어갈 필요가 있다. 이 이야기의 나머지 모든 내용이 여기에 달려 있기 때문이다. 메틸렌 블루의 변화는 가역적이다. 환원형인 류코메틸렌 블루는 무색이며, 산소와 접촉하면 파란색 양이온으로 돌아간다. 밀폐된 병에 담긴 이 염료의 포도당 용액은 무색이지만, 병을 열면 파랗게 변한다. 에를리히는 염색 절편을 공기뿐 아니라 염화철로 처리하고 색이 되돌아오는 것을 관찰해 이를 직접 보여 주었다고 전해진다. 주변의 산화환원 상태에 따라 색이 변하는 염료는 그 환경을 탐지하는 탐침이 된다.

이렇게 두 가지 성질이 나란히 놓였다. 염료는 한 조직과 다른 조직을 구분할 수 있었다. 또 산화 상태의 변화에 따라 색을 켜고 끌 수 있었다.

거꾸로 되짚어 보면, 두 번째 성질은 화학요법의 출발점이다. 어떤 화합물이 한 종류의 조직에는 결합하지만 다른 조직에는 결합하지 않는다면, 같은 화합물이 한 종류의 생물에는 도달하고 다른 생물에는 도달하지 않을 수도 있다. 에를리히는 이 추론을 직접 밝혔다. 병원체를 선택적으로 염색할 수 있다면, 그 염색은 해당 병원체에 특이적으로 해를 줄 가능성을 나타낼 수 있다는 것이다. 따라서 염료는 환자 대신 침입자를 겨냥하는 약물로 사용될 수도 있었다.

환자에게 시행한 첫 시험은 말라리아를 대상으로 하지 않았다. 1890년 에를리히는 정신과 의사 아르투어 레프만과 함께 메틸렌 블루가 근육, 관절, 힘줄의 신경통 및 류머티즘성 질환에서 통증을 완화했다고 보고했다. 두 사람은 이 약물이 정신질환에도 작용할지 논의했지만 시도하지 않기로 했다. 그러나 제노바의 이탈리아 의사 피에트로 보도니는 이를 시도했다. 그의 1899년 논문 제목은 여러 형태의 정신병에서 나타나는 진정 작용을 다룬다. 그는 흥분 상태의 환자 14명이 진정된 사례를 기술했고, 제노바의 다른 의사들도 이미 같은 목적으로 이 염료를 사용하고 있다고 언급했다. 진정은 질환 자체에 대한 효과가 아니며, 이 구분은 이 역사에서 거듭 나타난다.

말라리아 연구는 1891년 베를린 모아비트 병원에서 병리학자 파울 구트만과 함께 진행되었다. 환자 2명에게 메틸렌 블루를 투여했고, 보고서는 1891년 9월 28일자 Berliner klinische Wochenschrift에 실렸다. 첫 번째 사례에서 환자는 6월 29일 저녁 염료 0.5 g을 한 번에 복용했다. 예상되던 발작은 온전히 나타나지 않았고, 이후 기록된 유일한 불편은 파란 소변을 동반한 가벼운 배뇨통이었다. 처음 며칠 사이에 발열 발작이 사라졌고, 늦어도 8일째에는 혈액에서 기생충이 사라졌다. 저자들은 자신들의 기대가 완전히 충족되었다고 요약했다. 대조군 없는 사례 2건은 입증이 아니다. 현대 임상시험까지 포함한 메틸렌 블루와 말라리아의 상세한 이야기는 별도 페이지에서 다룬다. 여기서 흥미로운 질문은 더 좁다. 에를리히의 추론은 실제 기생충과 맞닥뜨린 뒤 얼마나 살아남았을까?

추론이 맞았던 지점과 빗나간 지점

작용 기전에 관한 설명은 적어도 에를리히가 제안한 형태로는 거의 살아남지 못했다. 평평한 삼환식 양이온이 기생충 DNA의 염기쌍 사이로 끼어든다는 깔끔한 설명은 말라리아원충에 대해서는 성립하지 않는다. 메틸렌 블루는 감염된 적혈구에 의해 매우 쉽게 환원되므로, 평면형 양이온 상태로 기생충에 도달하지도 못한다. 아크리딘 염료에 들어맞는 삽입 결합 설명은 이 염료에는 들어맞지 않는다.

증거가 뒷받침하는 설명은 더 복잡하다. 메틸렌 블루는 환자에서 도달 가능한 농도에서 기생충의 글루타티온 환원효소를 억제한다. 또한 헴이 헤모조인으로 전환되는 것을 막는다. 헤모조인은 기생충이 헤모글로빈을 소화하는 과정에서 스스로 중독되지 않도록 만드는 비활성 색소다. 이 전환을 막는 정도는 클로로퀸과 비슷하고, 퀴닌보다 훨씬 크다. 메틸렌 블루의 산화환원 순환은 이미 활성산소종을 생성하고 있는 세포 안에서 활성산소종을 추가로 만들어 내기도 한다. 이 가운데 무엇이 실제 작용 기전인지, 혹은 모두 기여하는지는 아직 확정되지 않았다.

문제를 더 복잡하게 만드는 요인이 하나 더 있다. 이 화합물에 대한 역사적 주장은 이를 염두에 두고 읽어야 한다. 당시 시판 메틸렌 블루는 단일 물질이 아니었다. 시료에는 메틸기 하나가 제거된 유사체인 azure B가 들어 있었고, 오래된 용액에는 그 양이 더 많아졌다. Azure B는 표적이 다른 이염성 염료로, 이중가닥 DNA를 짙은 파란색으로, RNA를 녹색으로 염색한다. 서로 다른 곳으로 이동하는 두 염료가 아무도 기록하지 않은 비율로 섞여 있었다면, 그 안의 메틸렌 블루가 무엇을 했는지 명확하게 단정할 수 없다.

염료 자체는 끝내 퀴닌을 대체하지 못했다. 연구 방법은 더 나은 성과를 냈다. 에를리히의 제자 빌헬름 뢸은 염료·의약품 기업 집단인 IG Farben에서 일하며 염료 유도체를 열대 질환용 의약품으로 개발하는 일을 계속 추진했다. 그는 그동안 없었던 도구도 제공했다. 조류 말라리아에 감염시킨 카나리아를 후보 화합물의 일상적인 선별 시험에 사용한 것이다. 이후 베르너 슐레만은 측쇄를 바꾸었고, 그 결과 얻은 페노티아지늄염은 실험적 감염을 치료했다. 하지만 여전히 환자를 파랗게 만들었다.

오래 남은 성과는 염료도 고리 구조도 아닌 측쇄였다. 디알킬아미노알킬아미노기를 붙이자 분자의 거동이 달라졌고, 이 구조 부분은 이후 모든 재설계에서도 살아남았다. 이 작용기를 유지하면서 페노티아지늄 고리를 아크리딘으로 바꾸면 퀴나크린이 된다. 퀴놀린으로 바꾸면 클로로퀸이 된다. 지금도 항말라리아제 목록에 있는 파마퀸, 프리마퀸, 아모디아퀸은 모두 같은 작용기를 지닌다. 치료제로는 실패한 화합물이 성공한 구조 부분을 제공한 것이다.

항정신병약과의 연결은 약물보다는 고리 구조를 통해 이어진다. 메틸렌 블루의 구조를 규명하는 과정에서 하인리히 아우구스트 베른트젠은 1883년 기본 페노티아진 핵 구조에 도달했다. 1940년대 론풀랑의 화학자들은 항히스타민제를 찾으며 이 기본 골격에 여러 치환기를 붙이는 연구를 진행했다. 그중 한 화합물이 1950년 말 무렵 합성되었고, 외과 의사 앙리 라보리가 시험했다. 그는 이 물질이 환자를 차분하고 무관심한 상태로 만든다는 점을 알아차렸다. 조증 환자에게 사용한 첫 정신과적 사례는 1952년 1월에 발표되었다. 최초의 항정신병약은 에를리히의 항말라리아제의 후손이라기보다, 그가 출발점으로 삼았던 염료의 먼 친척에 가깝다.

이 사례에서 이어 갈 만한 세 가지 습관

1. "의학에 사용된 최초의 합성 약물"은 하나의 범주를 가리키는 표현이며, 여기에 붙는 조건은 문구가 시사하는 것보다 훨씬 많다. 이 표현은 관용구처럼 굳어졌다. Neurobiology of Aging에 실린 시르머와 동료들의 자주 인용되는 종설은 메틸렌 블루를 의학에 사용된 최초의 완전 합성 약물이라고 부른다. 그러나 클로랄 하이드레이트는 그보다 20년 이상 앞선 1869년에 합성 진정제로 도입되었다. 1891년 논문 자체에도 답의 일부가 있다. 저자들이 말라리아에 이미 효과를 보이지 못한 합성 해열제로 퀴놀린, 안티피린, 안티페브린 등을 언급하기 때문이다. 에를리히 자신의 매독용 비소계 약물은 그보다도 나중에 나왔다. 방어 가능한 주장은 최초라는 순위보다 방법에 관한 것이다. 메틸렌 블루는 선택성에 관한 화학 이론을 바탕으로 특정 생물에 작용하도록 선택된 가장 초기의 합성 화합물 중 하나다.
2. 선택적 분포가 선택적 유익성을 뜻하지는 않는다. 에를리히의 1886년 결과는 염료가 신경 조직으로 이동한다는 것이었다. 화합물이 어디로 가는지와 도착한 뒤 무엇을 하는지는 서로 다른 측정 대상이며, 전자가 훨씬 측정하기 쉽다. 그 이후 메틸렌 블루와 뇌에 관한 대부분의 주장은 이 간극에 자리 잡아 왔다.
3. 순도는 마케팅이 아니라 증거의 일부다. 역사적 기록이 모호한 것도 바로 이 때문이다. 작은 구조 차이가 이 화합물의 이동 위치를 바꾸므로, 시험성적서는 제품이 시험되었다는 일반적인 진술로 제시할 것이 아니라 특정 제조 로트에 연결되어야 한다. 중금속만 시험하면서 약전 각조를 준수한다고 주장하는 판매자는 보고서가 뒷받침하는 범위를 넘어선 주장을 하는 셈이다. Blupreme은 제약 제조업체에서 메틸렌 블루를 공급받고, 각조가 정한 전체 규격을 시험한다. 확인시험, 순도, 유기 불순물, 잔류 용매, 원소 불순물, 강열잔분, 미생물 한도, 세균성 엔도톡신이 포함된다. 보고서는 제품과 함께 공개되며, USP 등급 메틸렌 블루 페이지에서는 이러한 한도와 azure B 결과를 가장 먼저 확인해야 하는 이유를 설명한다.

연도별 출처 기록

에를리히 이전의 염료 화학과 그 이후의 등급 및 규격을 포함한 주요 이정표의 연대기는 메틸렌 블루의 역사에서 별도로 정리했다. 화합물 자체의 정체는 메틸렌 블루란 무엇인가에서 다룬다.

이 설명의 바탕이 되는 도판들은 크라프츠, 헴펠만, 스쿠르스카스타니아의 2012년 종설에 재수록되어 있지만, 모두 같은 증거 가치를 지니지는 않는다. 한 가지 예만 보아도 이유를 알 수 있다. 1891년 도판은 시험의 일차 기록이다. 그 옆의 1910년 초상화는 명성이 형성된 시기를 보여 줄 뿐, 그 이상은 아니다. 안데르자크의 1934년 연구 노트 페이지는 화학자 자신의 손으로 남긴 퀴놀린 치환의 직접적인 흔적이다.

에를리히의 염료 실험을 솔직하게 요약하면, 그는 선택성과 표적은 맞혔지만 작용 기전은 놓쳤다. 메틸렌 블루는 실제로 신경 조직에 농축되며 말라리아 기생충에 해를 준다. 그러나 전자 때문에 후자가 일어나는 것은 아니며, 그가 두 현상에 제시한 화학적 설명은 틀렸다. 그가 의심의 여지 없이 입증한 것은 올바른 작용 기전보다 더 오래 남았다. 화합물은 우연히 발견되기를 기다리는 대신 선택할 수 있으며, 누구든 환자에게 투여하기 전에 수집한 증거를 바탕으로 선택할 수 있다는 것이다.