새 전달 방식으로 CRISPR 유전자 편집 효율 최대 90%까지 향상

과학자들이 유전자 편집과 mRNA 치료의 효능을 획기적으로 끌어올리는 두 가지 서로 다른 전략을 공개했다. 이는 실험실에서의 성공을 임상 적용으로 옮기는 데 제약이 돼온 지속적인 난제를 겨냥한다.

Biohub 연구진은 메티오닌, 아르지닌, 세린 등 3가지 아미노산을 함께 투여하면 치료용 페이로드 전달을 최대 20배까지 증폭시키고, 생체 내(in vivo)에서 CRISPR 유전자 편집 효율을 25% 수준에서 거의 90%까지 끌어올릴 수 있음을 발견했다. 이 발견은 분자 의학의 중대한 전환점으로 평가된다. 지질 나노입자(lipid nanoparticles, LNP)는 오랫동안 실험실에서의 눈부신 성과를 살아있는 생체 내에서 동일한 성공으로 재현하는 데 어려움을 겪어왔기 때문이다.

Daniel Zongjie Wang 박사와 Shana O. Kelley 박사가 이끈 Biohub 팀은 문제를 나노입자 자체에만 국한하지 않고, 막 상호작용을 조절하는 세포 환경과 대사 상태에 초점을 맞춰 재정의했다. 연구진이 인간 혈장과 유사한 배지를 사용해 보다 실제적인 생리 환경을 모사했을 때, 세포의 LNP 흡수는 급격히 감소했다. 이어진 대사 및 유전 분석을 통해 아미노산 관련 경로의 약화가 핵심 병목으로 지목됐다.

의약품 등급의 메티오닌, 아르지닌, 세린만으로 구성된 최적화된 칵테일은 변화를 가져왔다. 이 세 가지 아미노산은 널리 이용 가능하며 임상 사용에서 안전하다고 여겨진다. 아미노산 보충제는 다양한 세포 유형에서 mRNA 화물(cargo)의 흡수와 기능적 발현을 크게 향상시켰다. 이 효과는 근육주사, 기관내 투여, 정맥주사 등 투여 경로와 무관하게 일관되게 나타났고, 나노입자 지질 조성이나 유전 화물의 종류에도 좌우되지 않았다.

기전적으로 아미노산 보충제를 함께 전달하면 특정 세포 흡수 경로를 조절해, 지질 나노입자가 세포 안으로 들어오는 ‘문’을 효과적으로 넓히는 것으로 보인다. 아미노산 대사 회로를 활성화함으로써 세포는 대사적으로 준비된 상태가 되어 나노 운반체를 더 효율적으로 내재화하고 치료용 페이로드를 방출한다.

아세트아미노펜 유발 급성 간부전 전임상 마우스 모델에서, 아미노산 보충제를 추가하자 LNP에 캡슐화된 성장호르몬 mRNA 치료 후 생존율이 위험할 정도로 낮은 33%에서 완전 생존으로 전환됐다. 이러한 놀라운 개선은 혈청 내 치료 단백질 수치가 거의 9배 증가한 것과 동반됐고, 간 손상 및 염증 표지자도 건강에 가까운 기준선 수준으로 정상화됐다. 폐 조직을 표적으로 한 유전자 편집 응용에서는 보충제가 단 1회 투여만으로 CRISPR-Cas9 편집 효율을 통상적인 20~30% 범위에서 전례 없는 85~90%로 끌어올렸다.

한편, 유전자 편집 선구자이자 노벨상 수상자인 Jennifer Doudna가 이끄는 University of California, Berkeley 연구진은 바이러스처럼 세포 사이로 퍼지는 자기복제 CRISPR 시스템을 개발했다. 과학자들은 세포가 CRISPR 기구를 캡슐화할 수 있는 바이러스 유사 운반체를 만들도록 하는 유전적 지시를 추가했다. 처리된 세포에서 한 번 만들어지면, CRISPR 화물은 인접 세포로 운송된다.

NANoparticle-Induced Transfer of Enzyme, 즉 NANITE라 불리는 이 시스템은 운반 분자와 CRISPR 기구에 대한 유전적 지시를 하나의 원형 DNA 조각에 결합한다. 이를 통해 Cas9 효소는 세포 내부에서 만들어지는 과정에서 전달 단백질과 물리적으로 연결된다. 또한 최종 전달체가 Cas9을 DNA 표적에 결합시키는 ‘추적자’ 역할을 하는 guide RNA까지 함께 캡슐화하도록 한다.

NANITE는 선의의 바이러스처럼 처음에는 소수의 세포만을 ‘감염’시킨다. 세포 안으로 들어가면 각 세포에 완전한 CRISPR 도구를 만들고, 이를 포장해 다른 세포로 보내도록 지시한다. 업그레이드된 편집기는 표준 CRISPR와 비교해 배양 세포의 유전자 편집에서 대략 3배 더 효과적이었다. 또한 유전성 대사 장애가 있는 마우스에서 유해 단백질의 양을 감소시켰는데, 기존 버전은 동일 용량에서 효과가 거의 없었다.

유전자 편집기는 질병의 근본 유전적 기반을 무력화하거나 교정함으로써 의학을 혁신할 잠재력이 있지만, 이러한 도구들은 한 가지 기본 요건에 의해 제한된다. 질병을 가진 세포를 대체할 만큼 충분한 수의 세포가 편집돼야 한다는 점이다. 겸상적혈구병(sickle cell disease)을 억제하려면 혈액 줄기세포의 약 20%를 교정해야 한다. 근육을 약화시키는 유전 질환인 Duchenne muscular dystrophy에서는 표적 세포의 15% 이상이 편집돼야 한다.

세포에 전달된 뒤 편집 기구는 처음 진입한 세포 안에만 머문다. 이를 보완하기 위해 과학자들은 흔히 용량을 늘리지만, 이는 면역 공격을 유발하고 오프타깃(off-target) 유전자 편집 위험을 높일 수 있다. 이번 두 가지 새로운 접근법은 유전자 치료 전달에서 이러한 근본적 한계에 대한 잠재적 해법을 제시한다.