벌레 모양 나노구조와 돌기 유래 세포외 소포체, 유전자·단백질 전달의 새 지평 열다

연구진이 효율적인 유전자 전달과 엔도솜 탈출을 위한 벌레 모양 핵산 나노구조를 개발했으며, 별도로 세포 표면 돌기에서 생성되는 세포외 소포체(EV)가 기존의 엔도솜 유래 소포체보다 활성 단백질과 유전자 편집 효소를 훨씬 효율적으로 전달한다는 사실을 발견했다. 두 접근법 모두 비바이러스 유전자·단백질 전달의 핵심 병목인 엔도솜 탈출 문제를 해결한다.

나노입자는 바이러스 벡터에 비해 면역원성이 낮은 유전자 운반체로 자리 잡았지만, 엔도솜 탈출 효율은 여전히 낮다. 2019년 이후 보고된 38,000편 이상의 연구 논문 중 나노입자-유전자 복합체와 엔도리소좀 간 상관계수가 0.2 미만인 연구는 14편에 불과하다. 엔도솜 탈출을 위한 주류 유전자 운반체는 양이온성 나노입자와 지질 기반 나노입자 두 가지다. 양이온성 나노입자는 '양성자 스펀지 효과(proton sponge effect)'를 통해 엔도솜에서 빠져나오지만, 양전하가 종종 세포 독성을 유발한다. 지질 기반 나노입자는 '막 불안정화(membrane destabilization)'를 통해 탈출하지만, 지질 스크리닝이 까다롭고 지질이 막 손상과 염증을 유발할 수 있다.

구형 핵산, 오리가미(origami), 타일 기반 나노구조, 핵산 나노겔을 포함한 핵산 나노구조는 생체적합성, 형질감염 없는 세포 내 섭취, 감소된 세포 독성과 면역원성이라는 장점으로 유망한 대안을 제시하지만, 엔도솜 탈출 효율이 낮고 종종 양이온성 그룹, 세포 투과 펩타이드, 또는 기계적 자극이 필요하다. 새로운 나노구조는 금-폴리도파민 코어-쉘 나노웜(Au@PDA NW)으로 만들어진 구조적 주형 표면에 치료용 핵산을 흡착한다. 전체 나노구조는 음이온성이며, 형질감염제 없이 세포에 들어가고, 네 가지 세포 유형에서 피어슨 상관계수 0.2 미만으로 엔도솜을 탈출하며, 모두 양이온성/지질 작용기나 기계적 자극 없이 이루어진다. 이는 염화물 전압 개폐 채널 3(ClC3) 이온 교환기를 자연스럽게 활성화하여 소포 내 H+ 및 Cl- 축적과 엔도솜 탈출을 매개한다.

이 나노구조는 시험관 내(in vitro) miRNA 기반 대식세포 분극화와 siRNA 기반 간질세포 분화, 생체 외(ex vivo) mRNA 기반 세포 치료를 통한 신장 섬유증 완화, 생체 내(in vivo) 간세포로의 mRNA 전달을 통한 간 손상 치료를 가능하게 했으며, 엔도솜 탈출과 효능에서 Lipofectamine을 능가했다.

2025년 12월 8일 Nature Communications에 게재된 연구에서 일본 연구진이 두 가지 주요 세포외 소포체 생합성 경로를 비교했다. 세포외 소포체는 세포가 방출하는 작은 막 결합 입자로, 단백질과 기타 분자를 이웃 세포로 운반한다. 이들은 세포 내 엔도솜 구획에서 유래하거나, 세포 표면의 특수한 돌기에서 직접 유래할 수 있다. 연구팀은 I-BAR 단백질(MIM) 의존적 방식으로 세포 표면 돌기에서 생성된 EV가 기존의 엔도솜 유래 CD63 관련 EV보다 활성 단백질과 유전자 편집 효소를 훨씬 효율적으로 전달한다는 사실을 발견했다.

연구진은 인간 세포를 배양하고 돌기 유래 EV와 엔도솜 유래 EV를 각각 분리한 뒤, 정의된 단백질 화물을 적재하고 수용체 세포에 처리했다. 라이브 셀 및 초고해상도 이미징을 통해 EV 흡수, 엔도솜 구획을 통한 이동, 세포질로의 화물 방출을 추적했다. 그 결과 세포 이동을 조절하는 단백질인 Rac1이 돌기 유래 EV에 의해 늦은 엔도솜에서 세포질로 효율적으로 탈출해 활성을 유지하고 세포 운동을 자극하는 것을 확인했다. 또한 연구팀은 돌기 유래 EV가 콤팩트한 유전자 편집 효소인 Cas12f를 바이러스 벡터나 바이러스 융합 단백질을 사용하지 않고, 단백질 단위당 기존 엔도솜 유래 EV보다 훨씬 높은 기능적 효율로 운반한다는 것을 보여주었다.

'이번 연구 결과는 세포가 이미 놀라울 정도로 효과적인 무바이러스 전달 메커니즘을 갖추고 있을 수 있음을 보여준다'고 주저자는 말했다. 이어 '이 자연 시스템을 활용하면 유전자 편집, 재생 의학, 단백질 기반 치료제를 위한 더 안전하고 정밀한 전략을 개발할 수 있을 것'이라고 덧붙였다. 이 연구는 바이러스 유래 구성 요소 대신 세포 자체의 분자 기계를 활용하는 차세대 전달 기술의 기반을 제공한다.