심부전·낭포성 섬유증·고콜레스테롤 치료에서 CRISPR 유전자 편집 진전

연구진이 심부전, 낭포성 섬유증, 고콜레스테롤을 표적으로 하는 서로 다른 3가지 CRISPR 기반 유전자 편집 접근법을 개발해, 유전자 편집 기술을 흔한 질환과 희귀 질환 치료에 적용하는 데 중요한 진전을 이뤘다. 해당 기술은 미토콘드리아 기능 강화부터 비바이러스성 유전자 삽입, 단회 투여로 지질을 낮추는 전략까지 다양하다.

Rice University와 Baylor College of Medicine 연구진은 유전자 발현을 조절해 심장 세포에서 미토콘드리아 생성을 늘리는 비편집(nonediting) CRISPR 시스템을 개발했으며, 이는 심부전의 근저에 있는 에너지 위기를 겨냥한다. 심부전은 미국인 680만 명에 영향을 미치며, 미국 성인 4명 중 1명이 평생 동안 이 질환을 겪을 것으로 예상된다. 환자의 3분의 1은 심장이 에너지를 회복하고 유지하는 데 어려움을 겪으면서 심근경색 후 심부전이 발생한다.

이 시스템은 ‘켜기(on)’ 스위치처럼 작동해, 내부 조절 경로를 통제함으로써 세포가 더 많은 미토콘드리아를 조립하도록 유도한다. Molecular Therapy에 게재된 연구의 교신저자이자 Rice의 생명공학 부교수인 Isaac Hilton은 "세포가 특정 유전자를 과도하게 생산하도록 강제하는 대신, CRISPR을 사용해 자연적 조절 시스템을 절제된 방식으로 살짝 밀어 조정하고 미세 조율했다"고 말했다. 그는 "이는 세포 내 균형을 보존하면서 미토콘드리아 성능을 끌어올릴 수 있게 해주며, 안전한 임상 적용에 핵심적으로 요구되는 조건"이라고 덧붙였다.

여러 인간 세포 유형에서 시험했을 때, 이 시스템은 조절 단백질의 생성 증가를 성공적으로 유도해 미토콘드리아 기능과 세포 에너지 수준을 증폭했다. 수축을 통해 혈액을 펌프질하는 심장 세포인 인간 심근세포(cardiomyocytes)에 적용했을 때, 미토콘드리아 기능 개선의 지표인 산소 소비율을 높였다. 연구진은 동물 모델에서뿐 아니라 정상 심장과 질환 심장 모두에서 얻은 성인 인간 심장 기증 조직에서도 미토콘드리아 기능의 유사한 개선을 확인했다.

현재 심부전 치료는 손상된 에너지 공급에 맞추기 위해 심장의 에너지 수요를 줄이는 데 초점을 맞춘다. Baylor의 외과 교수이자 공동 교신저자인 Ravi Ghanta는 "기존 접근은 근본 원인을 해결하지 못해 시간이 지나면서 추가 합병증을 유발할 수 있다"고 말했다. 그는 "심부전이 더 흔해질 것으로 예상되는 만큼, 효과적인 치료 개발에 노력을 집중하는 것이 특히 중요하다"고 덧붙였다.

별도의 성과로, UCLA 연구진은 지질 나노입자(lipid nanoparticle) 기반 유전자 편집 접근법을 개발해 인간 기도 세포에 온전한 건강 유전자를 삽입할 수 있음을 보였고, 낭포성 섬유증의 실험실 모델에서 핵심 생물학적 기능을 회복했다. 이 연구는 mRNA 백신 전달에 널리 사용되는 작은 지방 기반 입자인 지질 나노입자를, 바이러스 벡터 없이도 큰 크기의 완전장(full-length) 유전자를 게놈에 정밀하게 삽입하는 데 필요한 복잡한 분자 화물을 운반하도록 공학적으로 설계할 수 있음을 보여준다.

낭포성 섬유증은 기도 세포 표면을 가로질러 염화물과 물의 이동을 돕는 채널을 암호화하는 낭포성 섬유증 막횡단 전도 조절자(cystic fibrosis transmembrane conductance regulator, CFTR)라는 단일 유전자의 돌연변이로 발생한다. 이 채널이 제대로 기능하지 않으면 폐의 점액이 두껍고 끈적해져 세균을 가두고, 만성 감염과 진행성 폐 손상으로 이어진다. CFTR 조절제(CFTR modulators)로 알려진 고효율 약물이 많은 환자의 치료를 변화시켰지만, 환자의 약 10%는 CFTR 단백질을 거의 또는 전혀 만들지 못해 해당 약물이 작용할 표적 자체가 없다.

낭포성 섬유증을 유발할 수 있는 CFTR 유전자 돌연변이는 1,700종 이상이기 때문에, 연구팀은 각각을 개별적으로 교정하기보다 한 번의 편집으로 어떤 오류든 교정할 수 있는 범용 접근법을 개발하고자 했다. 이 입자들은 3가지 유전자 편집 구성 요소를 동시에 운반하도록 설계됐다. 특정 위치에서 DNA를 절단하는 CRISPR 장치, 올바른 게놈 부위를 표적화하는 가이드 분자, 그리고 기능적 CFTR 유전자의 완전한 사본을 암호화한 DNA 템플릿이다.

연구진은 기존 약물에 반응하지 않는 중증 낭포성 섬유증 돌연변이를 가진 실험실 배양 인간 기도 세포에서 시스템을 시험했다. 나노입자는 전체 세포의 약 3-4%에 건강한 CFTR 유전자를 성공적으로 전달했다. 교정된 세포의 비율이 비교적 낮았음에도, 처치는 세포 집단 전체에서 정상 CFTR 채널 기능의 88%에서 100%를 회복했다.

대체 CFTR 유전자는 세포 내로 들어간 뒤 단백질 생산을 극대화하도록 설계돼, 교정된 세포가 소수여도 효과가 크게 나타나도록 했다. 코돈 최적화(codon optimization)로 알려진 이 유전자 설계는 UCLA의 Donald Kohn 연구실 협력진이 개발했으며, 단백질 자체를 바꾸지 않으면서 CFTR 단백질 생산을 증가시킨다.

반복 투여가 필요한 메신저 RNA 전달 접근과 달리, 새 전략은 교정된 유전자를 게놈에 직접 삽입해 시간이 지나도 세포와 그 후손이 기능적 CFTR을 계속 생산할 수 있게 할 잠재력이 있다.

콜레스테롤을 표적으로 하는 CRISPR-Cas9 유전자 편집 치료의 1상(first-in-human) 임상시험 결과가 American Heart Association Scientific Sessions에서 발표됐고 The New England Journal of Medicine에 게재됐다. 이 치료는 LDL과 중성지방 대사를 조절하는 것으로 알려진 ANGPTL3 유전자를 표적하며, 표준 치료에도 불구하고 지질이 상승한 환자에게 단 1회 정맥 주입으로 투여됐다.

환자에서는 용량 의존적으로 LDL-C가 최대 거의 50%까지, 중성지방은 거의 55%까지 감소했다. 초기 데이터에서는 치료와 관련된 중대한 이상반응은 없었지만, 장기 추적 관찰은 여전히 진행 중이다. 이 CRISPR 접근은 인간 유전학적 근거로도 뒷받침된다. ANGPTL3에 영향을 미치는 자연 발생 기능상실(loss-of-function) 돌연변이를 가진 사람들은 심혈관 질환 발생률이 더 낮은 것으로 나타났다.

1상 연구는 초기 안전성 평가만을 목표로 설계됐다. 치료가 LDL-C와 중성지방을 낮추기는 하지만, 이것이 심혈관 사망률 감소로 이어지는지는 아직 보여주지 못했다. 이 연구는 Baylor College of Medicine, American Heart Association, National Institutes of Health의 지원을 받았다.