하계 올림픽은 승리와 투지, 그리고 경이로운 운동 능력에 관한 놀라운 이야기들을 선사합니다. 선수들은 식단부터 고압 산소 챔버, 냉각 요법에 이르기까지 규정 내에서 항상 우위를 점하고자 노력하지만, 운동 능력 향상 약물(PED)은 결코 넘어서는 안 될 선입니다. 운동 능력 향상 약물은 국제올림픽위원회(IOC), 미국반도핑기구(USADA) 및 세계반도핑기구(WADA)에 의해 지속적으로 감시, 추적 및 검사 대상이 됩니다. 약물과 방법론은 진화해 왔지만, 아나볼릭 안드로겐 스테로이드(AAS)는 여전히 올림픽부터 투르 드 프랑스, 아이언맨 트라이애슬론, 그리고 크로스핏 게임즈와 같은 틈새 스포츠에 이르기까지 핵심적인 성능 향상 수단으로 사용되고 있습니다. 본 블로그에서는 일반적인 운동 능력 향상 약물과 이를 검출하기 위한 조치들에 대해 자세히 다룹니다.
운동 능력 향상 약물이란 무엇인가?
스테로이드, 그 대사산물, 그리고 테스토스테론에 대한 구조적 이해는 검출을 위한 분석 프로토콜 개발의 핵심입니다. 테스토스테론(T)은 체내에서 자연적으로 생성되는 호르몬이자 안드로겐 수용체의 고유 리간드입니다. 이 수용체가 테스토스테론이나 합성 스테로이드와 같은 안드로겐과 결합하면 활성화되어 근력 증가, 골밀도 향상, 적혈구 생성 촉진 등 운동 능력을 향상시키는 바람직한 효과를 나타냅니다. 근육과 뼈가 강해지는 것은 선수에게 분명한 이점이지만, 적혈구 생성 증가는 근육과 장기에 더 많은 산소를 공급하여 에너지 생성과 회복을 돕습니다. 따라서 테스토스테론(합성 및 천연 모두)은 아나볼릭 스테로이드의 기초가 됩니다.
아나볼릭 스테로이드는 크게 세 가지 범주로 나뉩니다(아래 그림 1 참조):
- Testosterone derivatives
- 5α-dihydrotestosterone (DHT) derivatives
- 19-nortestosterone derivatives
그림 1: 테스토스테론과 일반적인 아나볼릭 안드로겐 테스토스테론 유도체, 5α-디하이드로테스토스테론 유도체 및 19-노르테스토스테론 유도체의 구조 비교.
구조, 기질 활성 및 반감기의 차이는 이러한 아나볼릭 안드로겐 테스토스테론 유도체의 생물학적 프로필에 영향을 미칩니다. 우리 모두는 테스토스테론을 자연적으로 보유하고 있기 때문에, 이러한 차이는 화합물 검출 방법을 설계하는 근거가 됩니다.
운동 능력 향상 약물은 어떻게 검출되는가?
각 약물에 대해 주요 대사산물을 식별하는 것은 소변, 혈액 또는 타액을 이용한 직접적인 진단 검사를 개발하는 첫 단계입니다. 인체는 천연(내인성) 테스토스테론(T)과 에피테스토스테론(E)을 약 0.4~2의 비율로 생성합니다(그림 2A)1. 초기 검출 방법 중 하나는 단순히 소변 샘플 내 테스토스테론과 에피테스토스테론의 비율을 측정하는 것이었습니다. T/E 비율이 4를 초과하면 외인성 테스토스테론 제품을 이용한 도핑이 의심됩니다. 외인성 T의 존재를 확인하기 위해 실험실에서는 T 내 13C:12C 동위원소 비율을 측정할 수 있는데, 실험실에서 제조된 T는 내인성 T보다 13C:12C 비율이 약간 낮기 때문입니다2. 이 방법론은 2006년 투르 드 프랑스에서의 성과와 관련하여 플로이드 랜디스를 기소할 때 사용되었으며, 그가 실제로 외인성 테스토스테론을 사용했음을 입증했습니다.
그림 2. 아나볼릭 안드로겐 스테로이드 검출을 위한 시험 매개변수. A: 인체 내에서 0.4~2의 비율로 생성되는 테스토스테론(T)과 에피테스토스테론(E)의 구조. T/E 값이 4를 초과하면 AAS 도핑의 증거로 간주됨. B: 소변 검사를 통한 스타노졸롤 검출에 필요한 대사 및 분석 절차.
스테로이드 약물이 처음 경쟁 무대에 등장하면, 규제 당국은 이를 검출하고 분석하기 위해 해당 약물의 특성과 대사를 이해해야 할 책임이 있습니다. 1988년 서울 올림픽 당시 단거리 육상 선수 벤 존슨이 100m 달리기에서 세계 신기록을 세웠으나 스타노졸롤 양성 반응을 보여 금메달을 박탈당한 사례가 바로 그러합니다. 이 약물에 대한 검출 방법을 개발하기 위해 연구자들은 스타노졸롤의 대사 과정과 가장 민감하게 검출할 수 있는 방법을 이해해야 했습니다. 스타노졸롤 대사의 주요 경로는 그림 2B의 수직 경로에 나타나 있으며, 검증된 가스 크로마토그래피-질량 분석법(GC-MS)으로 대사산물을 검출하는 데 필요한 샘플 처리 과정도 함께 제시되어 있습니다3. 그러나 스타노졸롤은 그림 2B의 수평 경로에 표시된 17-에피-스타노졸롤-N-글루쿠로니드라는 또 다른 대사산물을 소량 생성합니다. 이 대사산물은 체내에 오래 잔류하며 투여 후 28일이 지나도 검출될 수 있습니다! 이 대사산물을 통해 스타노졸롤을 검출하기 위해 최근에는 전기분무 이온화(ESI)와 액체 크로마토그래피 질량 분석법(LC-MS)을 결합한 복합적인 방법이 개발되었습니다. 간단히 말해, 이러한 기술은 이온을 생성하여 질량에 따라 분리 및 식별함으로써 존재하는 대사산물을 특성화하고 확인합니다.
운동 능력 향상 약물이 지속적인 문제가 되는 이유는 무엇인가?
2000년대 초반 과학자들이 이미 알려진 아나볼릭 안드로겐 스테로이드를 검출하기 위한 기술 개선에 몰두하는 동안, 배리 본즈는 홈런을 치고 있었습니다. MLB는 본즈와 다른 선수들이 도핑 방지 테스트 프로토콜을 염두에 두고 강력한 아나볼릭 효과를 내도록 특별히 설계된 신규 합성 스테로이드인 테트라하이드로게스트리논(THG)을 사용하고 있었다는 사실을 전혀 알지 못했습니다. "더 클리어(The Clear)"라고 불린 THG는 도핑 방지 프로그램에서 그 존재나 대사산물에 대해 전혀 알지 못했기 때문에 초기에는 소변 검사로 검출할 수 없었습니다. 조사 과정에서 사용된 주사기 잔여물에서 THG 샘플이 추출되어 식별되었고, 그 이후에야 비로소 스크리닝을 위한 LC-MS/MS 방법이 쉽게 개발될 수 있었습니다4.
야구 스캔들은 도핑 방지 프로그램에서 AAS를 직접 검출하는 것과 관련된 몇 가지 문제를 전형적으로 보여줍니다. 첫째, 스크리닝 과정은 알려진 물질의 알려진 대사산물을 찾는 방식입니다. 따라서 잘 갖춰진 조직은 아직 발견되지 않은 "디자이너 스테로이드"를 합성하여 검출을 피할 수 있습니다. 테스트 프로토콜이 마련되어 있더라도 (연 2회 테스트가 이루어지는 MLB처럼) 테스트 빈도가 낮으면 스테로이드 사용이 적발되지 않을 수 있습니다. 테스트 간격이 길수록 스테로이드 대사산물의 농도가 검출 한계치 이하로 쉽게 떨어질 수 있기 때문입니다. 또한 선수가 검출을 피하기 위해 마스킹제나 이뇨제를 사용할 수도 있어5, 검사 기관에 추가적인 부담을 안겨줍니다.
반도핑 기구들은 이러한 문제와 그들의 억제 노력에도 불구하고 지속되는 경기력 향상 약물 사용 실태를 인지하고 있었습니다. 1990년대 초반부터 연구를 통해 외인성 약물이 없을 경우 개인 소변 내 테스토스테론과 그 전구체 및 대사산물의 농도와 비율이 매우 안정적으로 유지된다는 사실이 밝혀졌으며, 동화작용 안드로겐 스테로이드는 이러한 안정적인 수치에 지속적인 영향을 미칩니다. 그러나 연구자들이 베이지안 추론을 도입하여 이러한 비율의 비정상적인 수치를 공식적으로 탐지하기 시작한 것은 2007년에 이르러서였습니다. 이러한 비율은 혈액학적 프로필과 함께 선수 생체 여권(ABP)을 구성합니다. 이 여권은 경기력 향상 약물 탐지 능력을 강화하는 강력한 벤치마킹 도구입니다.
경기력 향상 약물 모니터링의 향후 발전 방향
체외 생물학적 검정(In vitro bioassays)은 안드로겐을 탐지하기 위한 또 다른 유망한 비표적 접근 방식입니다. 안드로겐 반응 요소의 조절 하에 리포터 단백질을 사용하여 세포를 변형함으로써, 이러한 검정법은 출처와 관계없이 안드로겐 수용체 활성화를 탐지할 수 있습니다6. 이 덕분에 생물학적 검정은 최근 선수들이 의도치 않게 금지 약물을 섭취하게 만드는 원인이 된 건강기능식품과 같이 성분을 알 수 없는 시료에서 안드로겐을 탐지하는 데 유용합니다. 비표적 생물 활성 기반 탐지 방법이 더욱 발전하면, 스테로이드 계열이든 구조적으로 테스토스테론과 유사하지 않고 대사적 이해도가 낮은 신종 선택적 안드로겐 수용체 조절제(SARM) 계열이든, 새롭게 등장하는 안드로겐을 규명하는 데 큰 도움이 될 것입니다7 (그림 3).
그림 3. 남용되는 주요 선택적 안드로겐 수용체 조절제(SARM)의 화학 구조.
요약
올림픽과 그 이후를 내다볼 때, 개인이나 때로는 조직의 사주에 의한 도핑 스캔들은 의심할 여지 없이 발생할 것입니다. 이것이 엘리트 스포츠의 명백한 속성입니다. 탐지를 피하기 위해 디자이너 약물을 사용하는 경우, 이러한 화합물은 본질적으로 안전성에 대한 임상 시험을 거치지 않았기 때문에 선수들의 건강에 위험을 초래할 것입니다. 그러나 스포츠 조직이 사용하는 약리학적 수법이 교묘해짐에 따라, 과학계 또한 반도핑 당국에 경기력 향상 약물을 탐지하는 데 필요한 지식과 분석 역량을 지속적으로 제공할 것입니다. 이러한 역량을 극대화하는 것은 도핑을 최소화하고 스포츠 내 건강을 증진하며 공정성의 가치를 지키는 억제제 역할을 할 것입니다.
참고 문헌
1. Donike, M., Nachweis von exogenem Testosteron. Dt. Ärzte-Verl.: Köln, 1983; p S. 293-298.
2. Polet, M.; Van Eenoo, P., GC-C-IRMS in routine doping control practice: 3 years of drug testing data, quality control and evolution of the method. Anal Bioanal Chem 2015, 407 (15), 4397-409.
3. Schänzer, W.; Opfermann, G.; Donike, M., Metabolism of stanozolol: identification and synthesis of urinary metabolites. J Steroid Biochem 1990, 36 (1-2), 153-74.
4. Catlin, D. H.; Sekera, M. H.; Ahrens, B. D.; Starcevic, B.; Chang, Y. C.; Hatton, C. K., Tetrahydrogestrinone: discovery, synthesis, and detection in urine. Rapid Commun Mass Spectrom 2004, 18 (12), 1245-049.
5. Alquraini, H.; Auchus, R. J., Strategies that athletes use to avoid detection of androgenic-anabolic steroid doping and sanctions. Molecular and Cellular Endocrinology 2018, 464, 28-33.
6. Lund, R. A.; Cooper, E. R.; Wang, H.; Ashley, Z.; Cawley, A. T.; Heather, A. K., Nontargeted detection of designer androgens: Underestimated role of in vitro bioassays. Drug Testing and Analysis 2021, 13 (5), 894-902.
7.Thevis, M.; Schänzer, W., Detection of SARMs in doping control analysis. Molecular and Cellular Endocrinology 2018, 464, 34-45.
