나노입자 유전자 편집, 낭포성 섬유증 실험실 모델에서 CFTR 기능 회복

UCLA 연구진은 인간 기도 세포에 온전한 정상 유전자를 삽입할 수 있는 지질 나노입자 기반 유전자 편집 접근법을 개발했으며, 이를 통해 낭포성 섬유증의 실험실 모델에서 핵심 생물학적 기능을 회복시키고 유전성 폐질환에 대한 돌연변이 불문 유전자 치료의 새로운 가능성을 제시했다. Advanced Functional Materials에 발표된 이번 연구는 바이러스 벡터를 사용하지 않고도 대형 전장 유전자를 유전체에 정밀하게 삽입하는 데 필요한 분자 화물을 운반하도록 지질 나노입자를 설계할 수 있음을 보여준다.

낭포성 섬유증은 단일 유전자인 낭포성 섬유증 막횡단 전도 조절인자, 즉 CFTR의 돌연변이로 발생한다. 이 유전자는 기도 세포 표면을 가로질러 염화물과 물을 이동시키는 데 도움을 주는 채널을 암호화한다. CFTR 조절제(CFTR modulators)로 알려진 매우 효과적인 약물이 많은 낭포성 섬유증 환자의 치료를 크게 바꿔 놓았지만, 환자의 약 10%는 CFTR 단백질을 거의 또는 전혀 생성하지 않아 이러한 약물이 작용할 표적 자체가 없다.

낭포성 섬유증을 유발할 수 있는 CFTR 유전자 돌연변이는 1,700가지 이상이기 때문에, 연구팀은 각각의 오류를 개별적으로 교정하는 대신 단 한 번의 편집으로 이들 모든 오류를 바로잡을 수 있는 범용적 접근법 개발을 시도했다. 이번 연구에서 연구팀은 세 가지 유전자 편집 구성요소를 동시에 운반하도록 설계된 비바이러스성 전달 시스템으로 지질 나노입자를 사용했다. 구성요소는 DNA를 정확한 위치에서 절단하는 CRISPR 기계, 올바른 유전체 위치를 표적화하는 가이드 분자, 그리고 완전한 기능성 CFTR 유전자 사본을 암호화한 DNA 주형이다.

연구진은 기존 약물에 반응하지 않는 중증 낭포성 섬유증 돌연변이를 지닌 실험실 배양 인간 기도 세포에서 이 시스템을 시험했다. 나노입자는 전체 세포의 약 3%~4%에 정상 CFTR 유전자를 성공적으로 전달했다. 이렇게 교정된 세포 비율은 비교적 낮았지만, 치료 후 전체 세포 집단에서 정상 CFTR 채널 기능의 88%에서 100%가 회복됐다.

연구진은 이러한 회복 효과의 강도가 유전자가 어디에 삽입됐는지뿐 아니라 어떻게 설계됐는지도 반영한다고 설명했다. 대체 CFTR 유전자는 세포에 들어간 뒤 단백질 생산을 극대화하도록 설계돼, 교정된 세포 수가 적더라도 큰 효과를 낼 수 있었다. 코돈 최적화(codon optimization)로 알려진 이 유전자 설계는 단백질 자체를 바꾸지 않으면서 CFTR 단백질 생산을 증가시킨다.

반복 투여가 필요한 메신저 RNA 전달 접근법과 달리, 이번 전략은 교정된 유전자를 유전체에 직접 삽입해 세포와 그 후손 세포가 시간이 지나도 기능성 CFTR을 계속 생성할 수 있게 할 가능성이 있다. 그러나 장기적인 이득을 위해서는 유전자 편집이 궁극적으로 기도 줄기세포에 도달해야 한다. 이 세포들은 폐의 보호층 깊숙이 자리하며 일생 동안 기도를 재생한다. 하지만 기도는 본래 외부 입자를 차단하도록 설계돼 있고, 낭포성 섬유증 환자에서는 점성이 높은 점액이 추가 장벽을 형성하기 때문에, 이들 세포에 도달하는 일은 여전히 가장 큰 과제 중 하나로 남아 있다.

연구진은 이번 성과를 개념 입증(proof of concept)이라고 설명했으며, 지속 가능한 1회성 치료를 위해서는 향후 기도 줄기세포로의 전달을 개선하는 연구가 필요하다고 밝혔다.