유전자 폐질환 치료에 최적화된 나노 전달체가 국내에서 개발됐다.

KAIST는 바이오및뇌공학과 박지호 교수 연구팀이 기존 mRNA 백신용 전달체의 한계를 보완할 이온화성 지질나노복합체(ionizable lipocomplex·이하 iLPX)를 개발했고 7일 밝혔다.

mRNA 백신 및 치료제는 코로나19 팬데믹 이후 폐 등 호흡기 질병에 대비하기 위한 차세대 치료제로 주목받는다.

현재 mRNA 치료제 전달체로는 지질 나노입자(lipid nanoparticle·이하 LNP)가 상용화돼 주로 활용된다.
정맥주사 후 혈액 안에서 입자 표면의 폴리에틸렌글리콜과 혈청 단백질 간 교체가 일어나 세포로 mRNA를 전달하는 방식이다.

하지만 이 같은 방식은 LNP의 에어로졸화 과정에서 나타나는 불안정성과 폐 미세환경에서의 낮은 전달 효율 등 한계를 보인다.
에어로졸화는 수용액을 미세한 크기로 분산시키는 분무 기법을 말한다.

이를 보완하기 위한 방안으로 흡입 전달용 mRNA 치료제에 대한 관심이 높아지고 있지만, 현재 임상적으로 사용되는 사례는 전무하다.
기존 mRNA 치료제 흡입 전달의 한계를 극복할 수 있는 mRNA 전달체 연구가 필요했던 배경이다.

무엇보다 mRNA 기반의 흡입 전달 치료는 코로나19 등 감염성 질환 뿐 아니라 천식, 낭포성 섬유증, 특발성 폐섬유증 등 유전자 치료를 필요로 하는 다양한 난치성 질환에 적용될 수 있어 개발 필요성을 높인다.

연구팀이 개발한 iLPX는 그간 한계로 지목됐던 요인을 해소한다는 점에서 의미를 갖는다.
우선 iLPX는 이온화성 리포좀의 외부에 mRNA를 결합한 형태로, 에어로졸화 과정에서 입자의 구조를 유지할 수 있는 장점을 가졌다.

이 덕분에 흡입 전달에 용이하며, 폐의 미세환경 안에서 폐 계면 활성제와의 상호작용을 유도해 호흡 운동으로 mRNA를 폐 세포에 전달할 수 있게 된다.

또 연구팀은 흡입 전달 및 폐 미세환경을 고려한 모방 환경 및 마우스 폐에서의 단백질 발현을 토대로 진행한 다차원 선별 과정에서 iLPX의 구성 요소를 최적화함으로써 흡입용 mRNA 전달체(Inhalation optimized-iLPX·이하 IH-iLPX)를 완성했다.

이 과정에서 연구팀은 에어로졸화 전후의 입자 크기, 균일도, mRNA 탑재율을 비교했을 때 IH-iLPX의 월등한 에어로졸화 안정성을 증명했다.

특히 IH-iLPX를 전달한 마우스에서 LNP 전달 마우스보다 26배 높은 단백질 발현이 유도된 것이 확인됐다고 연구팀은 강조했다.

연구팀은 동물 모델에서 흡입 전달된 IH-iLPX가 폐에서 특이적으로 단백질을 발현시키며, 폐포(단층편평상피로 이루어진 0.1~0.2mm 정도의 지름을 가진 공기 주머니) 상피세포와 기관지 상피세포에서 mRNA를 효과적으로 전달하는 것도 확인했다.

여기에 혈액 생화학 분석과 조직검사를 토대로 IH-iLPX가 폐와 혈액 환경에서 독성이 없음을 확인함으로써 폐 안에서 mRNA가 발현되는 것은 물론 생체 안전성 측면에서도 크다고 연구팀은 설명했다.

박 교수는 “mRNA를 반드시 내부에 탑재해야 한다는 고정관념을 깨고, 새로운 구성의 입자를 제시함으로써 기존에 불가능했던 흡입형 유전자 치료의 길을 열었다”며 “연구팀이 개발한 흡입형 유전자 전달체는 치료 단백질을 암호화하는 mRNA를 탑재해 폐질환에 적용돼 유전자 폐질환 치료의 적용 범위를 넓히는 역할을 하게 될 것”이라고 말했다.

한편 이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐다.
KAIST 바이오및뇌공학과 장민철 박사과정이 제1 저자로 참여한 이번 연구의 결과물은 나노기술 분야 국제학술지 ‘ACS 나노(Nano)’ 9월 3일자에도 게재됐다.