지질 나노입자로 CFTR 전체 유전자 전달... 낭성 섬유증 유전자 치료의 획기적 진전

UCLA 연구진이 인간 기도 세포에 건강한 유전자 전체를 삽입할 수 있는 지질 나노입자(LNP) 기반의 유전자 편집 기법을 개발했다. 이는 낭성 섬유증 실험 모델에서 핵심적인 생물학적 기능을 회복시켰으며, 유전성 폐 질환에 대해 돌연변이 종류와 관계없이 적용 가능한(mutation-agnostic) 유전자 치료의 새로운 길을 제시했다. '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)'에 게재된 이번 연구는 지질 나노입자가 바이러스 벡터를 사용하지 않고도 거대하고 긴 유전자 전체를 게놈에 정밀하게 삽입하는 데 필요한 복잡한 분자 화물을 운반할 수 있도록 설계될 수 있음을 보여주었다.

UCLA 브로드 줄기세포 연구센터 회원이자 이번 연구의 교신 저자는 "이번 연구는 정밀한 유전자 삽입에 필요한 모든 요소를 비바이러스성 전달 시스템 하나에 담을 수 있음을 보여준다. 이는 다양한 질병 유발 돌연변이에 두루 작용할 수 있는 유전자 치료제를 개발하는 데 있어 매우 중요한 단계"라고 밝혔다.

낭성 섬유증은 기도 세포 표면에서 염화물과 물의 이동을 돕는 채널을 형성하는 단일 유전자인 CFTR (낭성 섬유증 막 횡단 전도 조절기)의 돌연변이로 인해 발생한다. 이 채널이 제대로 기능하지 않으면 폐의 점액이 두껍고 끈적해져 박테리아를 가두게 되고, 이는 만성 감염과 점진적인 폐 손상으로 이어진다. CFTR 조절제로 알려진 효과적인 약물들이 많은 환자의 치료 환경을 바꾸어 놓았지만, 환자의 약 10%는 CFTR 단백질을 거의 또는 아예 생성하지 못해 해당 약물들이 작용할 대상 자체가 없는 실정이다.

줄기세포 센터의 중개 연구 부소장이자 공동 저자는 "그런 환자들에게 유전자 치료는 단순히 개선된 수단이 아니라 유일한 옵션이다. 세포가 단백질을 처음부터 스스로 만들 수 있는 능력을 부여해야만 한다"고 설명했다.

CFTR 유전자에는 낭성 섬유증을 유발할 수 있는 돌연변이가 1,700종 이상 존재하기 때문에, 연구팀은 각 돌연변이를 개별적으로 수정하는 대신 단 한 번의 편집으로 모든 오류를 바로잡을 수 있는 보편적인 접근법을 개발하고자 했다. 대부분의 실험용 유전자 치료는 유전 물질을 세포 내로 전달하기 위해 바이러스 벡터에 의존한다. 바이러스 방식은 강력하지만 제조 비용이 많이 들고 운반 가능한 유전 물질의 양에 제한이 있으며, 면역 체계가 이를 인식하고 반응할 수 있어 반복 투여가 어렵다는 단점이 있다.

이에 UCLA 팀은 비바이러스성 전달 시스템으로 지질 나노입자를 사용했다. 연구진은 나노입자가 세 가지 유전자 편집 구성 요소, 즉 DNA의 정확한 위치를 자르는 CRISPR 도구, 정확한 게놈 사이트를 타깃팅하는 가이드 분자, 그리고 기능이 온전한 전체 CFTR 유전자를 코딩하는 DNA 템플릿을 동시에 운반하도록 설계했다.

UCLA 요나스 실험실의 박사 학위 소지자이자 논문의 제1 저자는 "이 모든 요소를 단일 입자에 담는 것, 특히 CFTR처럼 거대한 유전자를 담는 것은 이전까지 구현되지 않았던 성과"라며 "이 '거대 유전자(big gene)' 문제를 해결할 수 있다면 다른 많은 질병에 대해서도 문이 열리는 셈"이라고 말했다.

연구진은 기존 약물에 반응하지 않는 심각한 낭성 섬유증 돌연변이를 가진 배양된 인간 기도 세포에서 이 시스템을 테스트했다. 나노입자는 약 3~4%의 세포에 건강한 CFTR 유전자를 성공적으로 전달했다. 교정된 세포의 비율은 상대적으로 낮았음에도 불구하고, 전체 세포군에서 정상적인 CFTR 채널 기능의 88~100%가 회복되는 치료 효과가 나타났다.

연구진은 이러한 강력한 회복력이 유전자가 삽입된 위치뿐만 아니라 유전자가 설계된 방식 덕분이라고 설명했다. 대체된 CFTR 유전자는 세포에 들어간 후 단백질 생산을 극대화하도록 제작되었으며, 이를 통해 소수의 교정된 세포만으로도 파급력 있는 효과를 낼 수 있었다. **코돈 최적화(codon optimization)**로 알려진 이러한 유전자 설계 방식은 UCLA 협력 연구팀에 의해 개발되었으며, 단백질 자체를 변화시키지 않으면서도 CFTR 단백질 생산량을 증폭시킨다.

반복적인 재투여가 필요한 메신저 RNA(mRNA) 전달 방식과 달리, 새로운 전략은 교정된 유전자를 게놈에 직접 삽입한다. 이는 세포와 그 자손 세포들이 시간이 지나도 기능적인 CFTR을 지속적으로 생산할 수 있게 할 수 있다. 하지만 장기적인 혜택을 보려면 유전자 편집이 결국 기도의 줄기세포에 도달해야 한다. 이 줄기세포들은 폐의 보호 내벽 깊숙이 위치하여 평생 기도를 재생하는 역할을 한다.

UCLA 데이비드 게펜 의과대학 소아과 및 호흡기 내과 교수이자 공동 저자는 "이 줄기세포들은 수명이 길고 기도를 지속적으로 재생한다. 만약 이 세포들을 교정할 수 있다면 이론적으로 건강한 세포가 계속 공급되는 영구적인 원천을 갖게 되는 것"이라고 말했다.

이 줄기세포들에 도달하는 것은 향후 해결해야 할 가장 큰 과제 중 하나다. 기도는 원래 외부 입자를 차단하도록 설계되어 있으며, 특히 낭성 섬유증 환자의 경우 두꺼운 점액이 추가적인 장벽으로 작용하기 때문이다.