COVID-19는 여러 기관이 새로운 백신 성분을 개발하고 다양한 기술적 접근 방식을 시험할 수 있는 수많은 가능성을 열어주었습니다. 화이자/바이오엔텍(Pfizer/BioNTech) 및 모더나(Moderna) 백신 임상시험의 최종 단계에 이르렀을 때 놀랍게도 95%의 유효성을 나타내며 팬데믹 발생 이후 사람들에게 더욱 굳건한 희망의 끈을 안겨주었습니다. 그 직후, SARS-CoV-2 바이러스와의 싸움은 실제로 mRNA 기술의 잠재력을 본격적으로 열어젖혔습니다.
mRNA 기술은 대중에게 생소할 수 있지만, 연구진들이 꽤 오랜 시간 동안 주목하고 연구해 온 혁신 기술입니다. SARS-CoV-2에 대해 탁월한 안전성과 효과의 잠재력을 보였을 뿐만 아니라, 다른 감염병에 대해서도 유망한 가능성을 나타내고 있습니다.
그림 1. mRNA 백신의 작동 원리.
출처: 미국 국립보건원(NIH) 상원 청문회 발표 자료(2020년 9월 9일).
COVID-19의 맥락에서 mRNA 백신은 세포에 면역 반응을 유도하는 단백질을 생성하도록 지시하여 향후 감염에 대한 보호력을 제공하는 항체를 형성합니다.
mRNA 백신의 역사는 펜실베이니아 대학교(University of Pennsylvania)의 카탈린 카리코(Katalin Karikó) 연구원이 유전자 치료의 한 형태로 mRNA 기술을 시험하기 시작했던 1990년대 초로 거슬러 올라갑니다(유전자 치료의 작동 원리를 알아보려면 여기를 클릭하세요).
그림 2. RNA 치료의 주요 발견 연표.
RNA 치료 분야의 정립으로 이어진 수많은 핵심적인 발견들이 있었습니다(그림 2). 그 이후 수년간 활발히 진행된 수많은 연구와 실험은 오늘날 mRNA 기술의 비약적인 잠재력으로 이어졌습니다.
약독화된 바이러스를 증식시켜 생산하는 데 수개월이 걸릴 수 있는 기존 백신과 달리, RNA 백신은 병원체의 유전자 염기서열 및 기타 구성 요소를 활용하여 훨씬 빠른 속도로 생산할 수 있습니다. 다음은 mRNA 기술의 다양한 응용 분야 중 일부입니다.
대장암 치료
mRNA 기술이 대장암의 재발을 방지할 수 있는지에 대한 연구는 여전히 진행 중입니다. 수술이 많은 대장암 환자의 표준 치료법으로 알려져 있지만, 종양을 제거한 후에도 체내에 암세포가 남아 있을 수 있습니다. 이렇게 남아 있는 암세포는 혈류로 DNA를 방출하며, 이를 순환 종양 DNA(ctDNA)라고 부릅니다. 종양 조직은 전문 실험실로 보내져 암의 증식을 촉진하는 유전자 변이를 확인하는 검사를 거칩니다. 변이가 확인되면 가장 흔한 것부터 가장 드문 것까지 우선순위를 매기고, 그 순위에 따라 mRNA 백신이 제작됩니다. mRNA는 검사 과정에서 확인된 종양의 유전자 변이를 바탕으로 단백질 조각을 생성하도록 환자의 세포에 지시합니다. 그러면 면역 체계가 변이된 단백질을 가진 다른 세포를 찾아 남아 있는 모든 순환 종양 세포를 제거합니다.
그림 3. mRNA 백신 설계.
자가면역 질환의 치료
독일 연구진은 다발성 경화증과 유사한 질환인 실험적 자가면역 뇌척수염(EAE)에 걸린 마우스의 질환 활성을 낮추기 위해 mRNA 기술을 활용했습니다. 환자들은 증상을 조절하기 위해 면역억제제를 처방받는 경우가 많지만, 이러한 약물은 부작용을 유발할 수 있습니다. 이에 따라 연구팀은 정상적인 면역계 기능을 저해하지 않으면서 면역 세포의 내약성을 높이고 손상을 줄이는 mRNA 백신을 개발했습니다.
그림 4. 항염증 mRNA 백신을 통한 내약성 유도.
유전자 치료
유전자 치료는 질환이 있는 세포를 치료하기 위한 중요한 치료 전략입니다. 그러나 기존의 유전자 치료는 몇 가지 위험을 수반할 수 있습니다. 도쿄대학교 대학원 의학부 질환생명공학연구센터 부교수 연구팀이 진행한 연구에서는 고분자 미셀 약물 전달 시스템(DDS)을 활용하여 새로운 mRNA 전달 시스템을 구축했습니다. 유전자 치료에 mRNA를 활용함으로써 연구 그룹은 후각 장애가 있는 동물의 후각 신경 섬유 조직 재생과 후각 기능 회복을 성공적으로 유도했습니다. 이는 신경계 질환에 대한 다양한 응용 분야에서 mRNA 기반 유전자 치료의 일환으로 mRNA를 활용하는 길을 열었습니다.
그림 5. mRNA가 탑재된 나노머신을 활용한 유전자 치료.
진드기로 인한 라임병 치료
생명을 위협하는 포와산 바이러스(Powassan virus)는 알려진 예방법이나 치료법이 없습니다. 이는 사람에게 뇌염을 유발할 수 있는 진드기 매개 바이러스로, 드물기는 하지만 북미와 러시아에서 확산되고 있습니다. 포와산 바이러스에 대한 새로운 백신은 지질 나노입자(LNP)에 캡슐화된 바이러스 mRNA로 구성되며, 이는 면역 반응을 형성하고 보호 작용을 유도하는 아바이러스 입자(subviral particles)를 생성합니다. 이 mRNA 기반 백신은 포와산 바이러스에 대해 우수한 결과를 나타냈으며, 높은 면역원성을 보이고 해당 과(family)의 여러 바이러스에 대한 보호 효과를 부여했습니다.
그림 6. 마우스에서 진드기 매개 플라비바이러스 다중 감염을 방어하는 mRNA 백신.
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LA2-4A2-E
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참고문헌:
[1] 메신저 RNA(mRNA)를 이용한 유전자 치료의 새로운 시스템. (2015년 3월 3일). 도쿄대학교.
https://www.u-tokyo.ac.jp/focus/en/articles/a_00351.html
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http://zon.trilinkbiotech.com/2019/06/25/surge-in-lyme-disease-cases-reported-to-u-s-congress-as-a-serious-health-concern/