5 연구 계획과 실행

집단 약동학은 인구 역학적 조건과 병태생리학적 조건이 모형의 파라미터에 미치는 영향을 분석하는데 유용하다. 집단 약동학 연구에 착수하기 전에 모형의 정성적 측면을 잘 파악해야 한다. 집단 약동학 연구를 고려하는 시점에는 사람에서의 예비 약동학 정보 (preliminary pharmacokinetic information) 및 약물의 주요 소실 경로 등이 이미 파악되어 있어야 한다.

집단 약동학 연구에서 얻는 희박한 자료(sparse data)만으로는 약동학 모형 선택을 식별할 수 있는 적절한 정보를 제공하지 못할 수 있으므로, 예비 연구를 통해서 약물의 기본적인 약동학 모형을 구축해야 한다. 또한, 집단 약동학 연구를 수행하기 전에 모약물과 임상적으로 의미가 있는 모든 대사체를 측정할 수 있을 정도의 민감도와 특이도를 가진 분석방법이 확립되어야 한다. 적합한 수학적/통계적 분석이 뒷받침된다면, 집단 약동학 연구는 광범위한(extensive) 연구의 적절한 대안이 될 수도 있다.

연구 수행 시작 시점에 집단 약동학의 연구 목적을 명확히 하고 연구의 목적에 맞게 시험을 설계해야 한다. 연구 설계 시에는 시료채취 시점, 개인별 시료채취 횟수, 전체 시험대상자 수 등을 고려해야 한다. 소규모 예비 연구에서 변이에 대한 대략적인 정보가 있으면 시뮬레이션을 통해, 중요한 연구 설계 요소를 예측하거나 유용한 정보를 주는 연구 설계를 알아낼 수 있다. 특히, 소아 환자나 고령 환자들과 같이 대상자의 수나 대상자 당 시료채취 횟수에 대한 제한이 심한 경우에는 시험 설계를 어떻게 하는가가 더욱 중요하다. 또한, 정확한 파라미터의 추정과 소집단에서의 차이를 확인할 수 있도록, 특히 관심의 대상이 되는 중요한 소집단의 대상자가 충분히 포함될 수 있게 하여 충분한 정보를 수집할 수 있도록 설계하는 것이 중요하다.

5.1 시료채취 설계

약동학적 변이에 대한 정보를 얻기 위해 수행되는 시료채취에는 크게 다음의 3가지 방법이 있다.: (1) 단회-투약직전 시료채취 설계(Single-Trough Sampling Design), (2) 다회-투약직전 시료채취 설계(Multiple-Trough Sampling Design), (3) 전체 집단 약동학 시료채취 설계(Full Population Pharmacokinetic Design)

5.1.1 단회-투약직전 시료채취 설계(Single-Trough Sampling Design)

단회-투약직전 시료채취 설계(Single-Trough Sampling Design)에서는, 대상자별로 다음 투약직전 약물의 최저 농도 시점에서 시료채취를 1회 실시하고, 대상자의 혈장 또는 혈청 등에서의 약물농도의 확률분포를 계산한다. (1) 표본 크기가 크고 (2) 분석 및 시료채취 오차가 적고, (3) 투약법과 시료채취 시점이 모든 대상자에서 동일하다고 가정한다면, 투약직전 약물농도의 히스토그램은 목표 집 단에서의 투약직전의 농도(C trough )의 변이를 상당히 정확하게 반영할 것이다. 위 3가지 가정을 충족하지 않는 경우에는, 전체 변이를 정확히 반영하지 못할 수도 있다. 단회-투약직전 시료채취 설계에서는 다중 선형 회귀 분석과 같은 간단한 통계 분석을 통하여 대상자의 특성과 투약직전의 약물농도의 관계를 확인할 수 있다. 다만, 투약전 농 도로 겉보기 청소율(apparent CL)과 같은 정보는 얻을 수 있지만, 겉보기 분포용적이나, 반감기와 같은 정보는 얻을 수 없다. 또한 개체간 변이 및 잔여 변이와 같은 변이의 구성요소를 구별할 수 없다. 이 방법으로부터 약동학적으로 의미있는 공변량과 소집단 간의 이러한 공변량 차이를 확인할 수 있다. 단회-투약직전 시료채취를 할 경우에, 정확한 시점에 시료를 채취하는데 있어 대상자와 의사에게 어려움이 있을 수도 있다는 점을 고려해야 한다. 약물은 정상상태(steady state)에 도달할 때까지 투여되어야 하고, 투약직전 농도 측정 전에 적어도 마지막 2회의 투약은 반드시 계획대로 이루어져야 한다. 입원 환자를 대상으로 하는 연구와 같이 투약시점 및 시료채취 시점이 정확한 경우가 아니라면, 투약 시점 및 시료채취 시점이 확실하지 않으므로 이 방법은 반감기의 1배 이하의 간격으로 투여하는 약물에만 적용 가능하다. 이러한 자료에는 노이즈(noise)가 많기 때문에 이러한 종류의 연구에서는 표본의 크기가 커야 한다. 단회-투약직전 시료채취 방법은 약물이 정맥투여 되거나 서방성 제제가 아닌 경우라면, 최고 농도 측정이 권장되지 않는다. 최고혈중농도에 도달하는 시간은 약물의 분포와 제거의 모든 과정의 속도와 연관되어 있으며 개체간 차이가 있기 때문에 단순히 추정된 최고혈중농도가 정확하지 않을 가능성이 높다. 또한 최고혈중농도는 정상상태의 평균 농도 또는 농도-곡선하면적과 같이 약물의 효과와 관계있는 약동학 과정과는 무관한 변이에 대한 정보이다. 단회-투약직전 시료채취 방법은 자주 사용되기 때문에 본 가이드라인에서 설명되었지만 알려진 제한점을 고려하면 권장되는 방법은 아니다. 이 방법을 사용할 경우에는 위에 언 급된 제한점들을 고려해아 한다.

5.1.2 다회-투약 직전 시료채취 설계(Multiple-Trough Sampling Design)

다회-투약직전 시료채취 설계(Multiple-Trough Sampling Design)에서는 대부분의 대상 자에서 정상상태의 투약직전 농도를 측정하기 위해 2회 이상의 시료를 채취한다. 대상자의 특성과 관련된 약물농도 이외에도 개체간 변이와 잔여 변이를 분리할 수 있다. 이 설계에서는 대상자가 좀 더 상세히 연구되기 때문에 단회-투여직전 시료채취 설계 에 비하여 필요한 대상자 수가 감소하며 투약직전 농도와 대상자 특성 간의 연관성을 매우 정밀하게 평가할 수 있다. 청소율의 개체간 변이를 추정하기 위해 비선형 혼합-효과 모형 접근법을 사용해야 한 다. 파라미터의 추정을 위해 약동학 모형을 사용하는 경우, 예를 들어, 흡수속도상수와 같은 파라미터를 고정하여 민감도 분석은 반드시 수행되어야 한다. 이는 다른 파라미 터들을 추정하거나 그 고정된 파라미터 값이 다른 파라미터 추정에 미치는 영향이 최 소인지를 판단하기 위해서이다. 단회-투약직전 시료채취 설계에서의 단점이 다회-투약직전 시료채취 설계에도 존재한다. 개체간 변이와 잔여 변이의 추정치가 편향될(biased) 수도 있고 편향되지 않을 (unbiased) 수도 있겠지만, 대상자수가 많지 않은 경우에는 이러한 변이들은 정밀하지 않을 것이다. 투약전 채혈 자료로부터 청소율은 비교적 정확히 추정되는 반면 다른 약동학 파라미터에 대한 정확성은 떨어지는 경향이 있다.

5.1.3 전체 집단 약동학 시료채취 설계(Full Population Pharmacokinetic Sampling Design)

전체 집단 약동학 시료채취 설계는 종종 실험적인 집단 약동학 설계(experimental population pharmacokinetic design) 또는 전체 약동학 스크린(full pharmacokinetic screen)이라고 한다. 이 설계에서는 투약 후 다양한 시간대에 대상자별로 통상 1～6 회 시료를 채취한다. 집단 약동학적 특성을 알아보기 위해, 다른 시점에 대상자별로 가능한 다수의 약물농 도를 얻는 것이 중요하다. 이 설계를 적용하면, 연구 집단에서 약물의 약동학 파라미터를 비교적 정확하게 추정할 수 있으며, 비선형 혼합-효과 모형을 사용하여 변이를 설명할 수 있다. 전체 집단 약동학 시료채취 설계에서는 목표 집단과 그 소집단의 인구 역학적, 병태생 리학적 특성과 약물의 약동학과의 상관관계를 알 수 있도록 계획하여야 한다.

5.2 대상자별 2회 이상 시료채취의 중요성

개체내 변이와 관련하여 개인별 약동학 모형에 대한 약물농도 측정값의 분산은 개념상 다음의 두 가지 구성요소로 특징지을 수 있다: (1) 측정 시점에 따른 약동학 모형의 변이에 기인한 약동학 측정값의 변이(시점에 따른 변이, interoccasion variability), (2) 일종의 노이즈(noise 또는 pharmacokinetic model misspecification) 어떤 경우에는 측정 시점에 따른 변이(시점에 따른 변이)가 개인에서 시간에 따른 공 변량 차이에 의한 변이로 설명될 수 있다. 하지만, 노이즈(noise)를 포함한 설명할 수 없는 변이는 약물농도 예측이나 조절에서 제거할 수 없는 불확실성이다. 예로서, 치료 역이 좁고 측정 시점에 따른 변이가 큰 약물들은 농도를 조절하기 매우 어렵다. 만일 집단 약동학 연구에서 대상자별로 1회 시점에서만 시료채취를 한 경우에는, 개체내 차이로 나타날 수 있는 시점에 따른 변이가 개체간 차이로 나타날 수 밖에 없다. 이 경우, 치 료적 약물 모니터링(TDM)이나 약효에 따른 약물 용량 조절 등을 통하여 개인의 약물 농도를 치료 범위 내에서 쉽게 조절 가능하다고 잘못 판단할 수도 있다. 만약 모든 시험 대상자들에서 정확히 1회만 채혈을 해야 한다면, 2-단계 접근법이나 비선형 혼합-효과 모형 접근법으로 분석할 수는 없고, 바람직하지는 않지만 단순병합법(naive pooled method)으로만 분석할 수 있다. 개체간 변이를 설명할 수 있는 개체간 공변량 분석 또한 무의미할 수 있다. 서로 다른 상황(time-concentration상 다른 시점)에서 2회 이상 시료를 채취하는 것이 개체내 변이를 별도로 추정하는데 도움이 될 수 있다. 결론적으로, 집단 약동학 분석이 가능하기 위해서는 모든 시험대상자는 아니더라도 다 수의 시험대상자에서 2회 이상 측정한 농도 값이 존재하는 것이 바람직하다.

5.3 시뮬레이션(Simulation)

시뮬레이션(simulation)은 연구 설계와 분석의 가치를 객관적으로 분석할 수 있는 도구 이며 서로 다른 연구 설계들의 결과를 이해하고 평가하는 도구로서도 유용하다. 연구 설계 시 결점들이 있는 경우 무의미한 자료를 수집하는 결과를 초래하게 되는데 시뮬레이션을 통하여 계획된 집단 약동학 연구에서 사용된 변수와 가정들이 결과에 어떤 영향을 미치는지 확인할 수 있다. 시뮬레이션은 연구 설계에서 선택된 요소들과 채택된 가정들에 대해 평가할 수 있도록 해 준다. 따라서, 시뮬레이션을 통해 약물계량학자(pharmacometrician)는 집단 약동학 연구의 결 과를 더 잘 예측하고 연구의 목적에 잘 부합할 수 있는 연구 설계를 선택할 수 있게 된다. 시뮬레이션은 파라미터 추정에 시료채취시 변이의 영향을 통제하기 위한 적절한 자료 분석과 반복적인 시뮬레이션을 포함해야 한다. 가장 유용한 연구 설계를 결정하기 위하여, 대안적인 연구 설계에 대해 시뮬레이션을 할 수도 있다.

5.4 연구 계획

집단 약동학 연구는 수행될 상황에 따라, 다른 임상시험에 부가적으로 수행(이하, 부가 연구, add-on)될 수도 있고, 단독으로 수행(이하 단독연구, stand-alone)될 수도 있다. 계획서에는 시료채취 설계 및 자료 수집 절차에 대한 상세한 내용뿐만 아니라 집단 분 석의 목적을 명확히 기술해야 한다. 알아보고자 하는 특정 약동학 파라미터는 먼저 정 해두어야 한다. 부가연구에서는, 원래 임상시험 계획과 잘 맞추어 계획을 수립하되, 임상시험 본연의 목적을 우선으로 해야 한다. 연구자들도 임상시험에 집단 약동학 연구가 포함되는 것의 중요성에 대해 충분히 이해하고 있어야 한다. 집단 약동학 연구가 단독으로 수행될 경 우에는, 별도의 종합적인 계획서가 준비되어야 한다. 다음 항에서 단독연구와 부가연구에 대해 간략히 설명한다. 또한, 한 가지 이상의 연구로부터 자료를 추출하여 집단 약동학을 평가하고자 하는 경 우에도, 집단 약동학 연구에 대한 계획서가 마련되어야 한다.

5.4.1 부가연구(add-on)로서의 집단 약동학 연구

집단 약동학 연구가 임상연구에 추가되는 경우, 집단 약동학 연구의 목적을 명확하게 기술해야 한다. 집단 약동학 연구의 목적이 임상연구의 1차적인 목적과 절충되어서는 안 된다. 대상자 선택 기준과 자료 분석 방법을 집단 약동학 연구 계획서에 명확하게 기술해야 한다. 집단 약동학 분석에 포함할 대상자, 소집단, 그리고 측정할 공변량 등 집단 약동학 분석에 사용되는 자료의 범위를 사전에 정하고 시료채취 설계를 구체적으로 기술하고 소집단을 층화할 경우 이를 명시해야 한다. 다기관 임상연구인 경우, 일부 기관 에서는 광범위한 자료를 수집하고, 다른 기관에서는 희박한 자료(sparse data)를 수집하는 것이 유용할 수 있다. 이런 수집 방법은 모형 오지정(misspecification)을 방지하고 유용한 정보를 제공할 수 있는 분석을 할 수 있다는 장점이 있다. 이러한 수집 방법 역시 계획 서에 미리 명시해야 한다. 허가 신청 자료로 제출하기 위하여 임상시험 종료 전에 실시간으로 집단 약동학 분석을 수행하는 것은 허용된다.

5.4.2 단독연구(stand-alone)로서의 집단 약동학 연구

단독연구에서는, 약동학 평가와 관련된 실질적이고 구체적인 사항들을 연구 계획서에 포함해야 하며 집단 약동학 연구의 일차 목적과 이차 목적을 각각 명확하게 기술해야 한다. 이차 목적은 일차 목적을 검토한 후 자료분석 시 예상하지 못한 사실들을 탐색하기 위해 할 수 있는 것들을 기술하여야 한다.

시료채취 설계, 자료수집, 자료 확인 절차, 결측치 처리 및 비정상치 처리 방법 등을 계획서에 명확하게 기술해야 한다. 시험대상자, 소집단, 측정될 공변량 등 분석에 사용될 자료도 사전에 정의해야 한다. 시료채취 설계 및 층화방법도 사전에 명확히 기술되어 정해져야 한다. 약물 상호작용을 확인하고자 하는 경우라면, 계획서에 다음을 구체적으로 명시해야 한다. ; (1) 특정 병용약물에 따른 효과, (2) 병용약물의 일일 총 투여량, (3) 잠재적인 상호작용이 있는 약물의 혈중농도.

음식물 섭취에 따른 영향을 평가하고자 하는 경우라면, 음식물의 섭취 후 채혈 시점까지 경과한 시간과 섭취할 음식물의 종류 및 성분 등이 계획서에 구체적으로 명시되어야 한다. 또한 자료 분석 과정(적절한 경우 타당성 검증(validation) 포함)이 구체적으로 명시되어야 한다.

적합한 모형을 찾기 위해 수행되는 집단 약동학 연구에 대해서는 세부사항을 완전하게 기술할 수는 없다. 그러나 상기에 언급한 바와 같이, 계획서는 연구의 목적, 대상자 선정 제외 기준, 약동학 평가 기준, 시료채취 설계, 자료 처리 및 확인 절차, 모형화를 위한 가정, 예상 공변량 목록과 그 근거 자료, 민감도 분석 여부, 타당성 검증 절차 등이 기술되어야 한다. 추가로, 공변량의 포함 또는 제외에 있어서 중요한 모형 구축 방법이 기술되어야 한다. 시간에 따라 변하는 공변량의 경우 특별히 문제가 될 수 있다. 이러한 공변량은 반드시 연구 기간 동안 여러 번 측정해야 한다.

여러 번 측정을 했으나 정보가 불완전한 경우에는 활용 가능한 자료 사이에 대체값을 대치하기 위해(imputation) 모형-기반 기법이 이용된다. 이러한 방법은 시간에 따라 변하지 않는 공변량에도 적용된다.

계획서에는 종종 결측이 예상되는 공변량과 같은 경우 합리적인 방안의 예시들을 포함하도록 해야 한다.

장기간 연구의 경우, 시점에 따른 변이로 인한 야기될 수 있는 사안을 인식하고 기술하여야 한다.

5.5 연구 수행

집단 약동학 연구는 의약품임상시험관리기준(KGCP) 및 비임상시험관리기준(KGLP)에 따라 수행되어야 한다. 투약 기록에는 투약 및 시료채취 시점에 대해 가능한 정확한 정보를 기술하도록 한다. 시료채취 및 시료채취 기록은 임상시험관리기준에 따라 수행되어야 하며 시료의 처리는 비임상시험관리기준에 따라 수행되어야 한다. 시료채취 기록에 오류가 있는 경우 그 정도와 특성에 따라, 편향(bias)이 야기되거나 정확하지 않은 파라미터들이 추정될 수 있다.

연구 대상자와 연구자 모두, 연구 계획서에 따라 연구가 수행될 수 있도록 노력해야 한다. 순응도를 높이기 위해 계획서는 너무 복잡하지 않은 것이 좋으며, 시료채취 시점이 연구자와 대상자 모두에게 편한 시간대로 설정되어야 하고 시료채취의 필요성을 대상자와 연구자에게 잘 설명해야 한다. 연구자에게 제공되는 지시사항은 명확하고 간결하여야 한다. 연구가 진행되는 동안 의뢰자는 적절한 모니터링을 통해 이러한 측정들이 잘 수행되는지 관리지원해야 한다. 시험기관에는 시료처리와 보관, 그리고 분석 전 시료의 운반 및 보관이 최적의 상태로 진행될 수 있도록 적절한 자원이 제공되어야 한다.

투약이 계획에 따라 정확히 지켜지지 않는 경우, 교란이 발생할 수 있으며 이로 인해 부적절한 결과 해석이 야기될 수 있다. 투약력을 복원하는 경우에는 가능한 객관적인 방법을 사용할 수 있도록 특별한 주의가 요구된다. 특히 해당 집단 약동학 연구가 대규모의 임상시험의 한 부분으로 수행되는 경우, 관계자들 간의 의사소통은 성공적인 수행을 위해 매우 중요하다.