면역 부작용을 줄이고 효능을 높인다… 치료용 mRNA의 걸림돌인 '이중 가닥 RNA' 제거 기술 개발이 가속화되고 있습니다.
배경
코로나바이러스감염증-19(COVID-19) 백신의 성공으로 메신저 리보핵산(mRNA) 기술은 바이오 의약품 개발의 핵심 요소로 자리 잡았습니다. 신속한 생산 속도, 우수한 효능, 뛰어난 경제성을 인정받아 차세대 치료 플랫폼으로 주목받고 있습니다. 하지만 극복해야 할 장벽이 존재합니다. 합성 과정에서 불가피하게 섞여 드는 불순물 문제입니다.
시험관 내 전사(in vitro transcription, IVT) 공정에서는 목표한 단일 가닥 mRNA 외에도 다양한 부산물이 발생합니다. 미반응 캡(Cap) 구조, 뉴클레오사이드 삼인산(NTP), 주형 DNA, 정제되지 않은 효소가 대표적인 예입니다. 이 가운데 이중 가닥 RNA(double-stranded RNA, dsRNA)는 치료 효능을 무력화하는 주범으로 지목됩니다. 몸속 면역 체계를 잘못 건드려 염증을 유발하기 때문입니다. 더불어 mRNA가 단백질을 만드는 과정까지 억제합니다. 결국 안전하고 효과적인 mRNA 치료제를 상용화하기 위해 dsRNA 제거 공정이 핵심 연구 주제로 부상한 이유입니다.
핵심 발견
dsRNA 제거 전략은 크게 두 가지 흐름으로 나뉩니다. 이미 합성된 혼합물에서 dsRNA를 걸러내는 사후 분리 방식과, 합성 단계부터 dsRNA 생성을 원천적으로 차단하는 사전 억제 방식입니다. 이번 리뷰는 각 기술의 작동 원리와 장단점을 체계적으로 비교 분석했습니다.
사후 분리: 크로마토그래피와 셀룰로오스 필터의 협업
이미 완료된 IVT 반응물에서 dsRNA를 분리하는 대표적인 기술로 역상 고성능 액체 크로마토그래피(Reversed-Phase High-Performance Liquid Chromatography, RP-HPLC)와 셀룰로오스(Cellulose) 기반 정제법을 들 수 있습니다. 이 중 RP-HPLC는 소수성 차이를 감지하여 단일 가닥 mRNA와 dsRNA를 고해상도로 분리합니다. 다만 정제 과정에서 다량의 유기 용매를 소모하는 데다 대량 생산 공정으로 확장하기 어렵다는 단점이 지적되었습니다. 반면 셀룰로오스 기반 정제법은 비용 대비 효율이 뛰어나 대안으로 꼽힙니다. 특정 완충액 조건에서 셀룰로오스가 dsRNA에만 선택적으로 결합하는 성질에 기반합니다. 독성 유기 용매를 쓰지 않고 친환경적인 방식으로 대용량 mRNA를 정제할 수 있어 산업적 가치가 매우 높은 기술입니다.
사전 억제: 효소 개량과 반응 조건 최적화
합성 과정 자체에서 dsRNA 발생을 최소화하려는 시도도 활발히 전개되고 있습니다. 가장 대표적인 분야는 DNA 정보를 RNA로 전사하는 중합 효소를 개량하는 연구입니다. 예를 들어 T7 RNA 중합효소의 돌연변이체를 설계함으로써 비정상적인 전사 활동을 억제하고 dsRNA 합성을 미연에 방지합니다. 반응 용액에 무질서화제(Chaotropic agent)를 첨가하는 방법도 주목받고 있습니다. 수소 결합을 약화시키는 물질을 투입하면 상보적 RNA 가닥끼리 서로 결합하는 현상이 자연스럽게 차단됩니다. 자성 비드(Magnetic bead)를 투입하여 주형 DNA나 목적 mRNA만 선택적으로 수확하는 정제 기술도 활발히 이용되는 추세입니다. 더 나아가 DNA 주형의 3' 말단 서열을 미세 조정하거나 mRNA 분자의 2차 구조 형성을 방해하도록 염기 서열을 설계하는 분자 최적화 기법까지 도입되었습니다.
의미와 전망
dsRNA 제거 기술의 발전은 향후 mRNA 치료제의 안전성과 효능을 크게 끌어올릴 핵심 열쇠입니다. 고순도 mRNA 생산이 가능해지면 백신뿐 아니라 암 치료제, 유전자 교정 등 정밀 의료 영역으로 mRNA 플랫폼을 넓힐 수 있습니다. 불필요한 면역 유도 부작용이 줄어들면 투여 용량을 안전하게 늘릴 수 있고, 환자가 겪는 신체적 부담도 가벼워집니다.
그러나 대규모 상용화 단계로 진입하려면 극복해야 할 난제가 많습니다. 실험실 중심의 기존 정제 기술을 대규모 생산 라인에 그대로 이식하기 어렵기 때문입니다. 일례로 크로마토그래피 공정은 설비 투자 비용이 크고 정제 속도가 더디다는 약점이 부각됩니다. 따라서 저비용 고효율을 실현하는 연속 정제 공정 개발과 표준화 가이드라인 마련이 선결 과제로 꼽힙니다.
메신저 RNA(mRNA) 기술은 백신 개발 및 치료 적용 분야에서 핵심적인 역할을 수행하며, 높은 효능, 빠른 확장성, 비용 효율성과 같은 주요 이점을 제공합니다. COVID-19 mRNA 백신의 성공은 mRNA의 효능과 안전성을 입증했습니다. 그러나 IVT(in vitro transcription) 과정에서 생성되는 불순물(미반응 캡, 뉴클레오사이드 삼인산(NTP), DNA 템플릿, 효소, 불완전한 전사물, 이중 가닥 RNA(dsRNA) 등)은 RNA 치료의 임상 적용에 상당한 과제를 제기합니다. 이 중 dsRNA는 다양한 선천성 면역 반응을 활성화하고 mRNA 번역을 억제하여 mRNA 치료 효능을 저해할 수 있으므로 특히 문제가 됩니다. 따라서 전임상 또는 임상 환경에서 사용하기 전에 IVT 합성된 mRNA에서 dsRNA를 효과적으로 제거하는 것이 필수적입니다. 본 리뷰 논문에서는 현재 mRNA 개발 파이프라인 및 진행 중인 임상 시험과 dsRNA 제거를 위한 최근의 mRNA 정제 기술 발전에 대한 포괄적인 개요를 제공합니다. 특히, (1) RP-HPLC 크로마토그래피 및 셀룰로오스 기반 정제와 같은 방법을 사용하여 IVT mRNA 제품에서 dsRNA를 분리하거나 제거하고, (2) 엔지니어링된 RNA 중합 효소 변이체, 혼란 유발제 및 자성 비드를 사용하고 DNA 템플릿 또는 RNA 분자를 수정/최적화하여 IVT 중에 dsRNA 형성을 최소화하는 두 가지 접근 방식으로 dsRNA 제거 전략에 중점을 둡니다. 또한 이러한 정제 방법의 장단점, 정제 전략 선택에 영향을 미치는 요인에 대해 논의하고 mRNA 기반 치료제에 대한 dsRNA 정제 기술을 개선하기 위한 잠재적인 미래 방향을 모색합니다.
이 연구는 mRNA 신약 개발 기업들이 상용화 단계에서 겪는 가장 큰 난제인 '품질 관리(QC)와 생산 단가' 문제를 해결할 실마리를 제공합니다. 구체적으로 고순도 dsRNA 제거 공정이 확립되면, 위탁개발생산(CDMO) 기업들은 mRNA 의약품의 일관된 순도 기준을 충족하여 불량률을 대폭 줄일 수 있습니다. 임상 현장에서는 환자의 안전성 확보에 기여할 전망입니다. 면역 과반응으로 인한 부작용 우려가 해소되면 심혈관 질환이나 희귀 유전 질환 치료제처럼 고용량 mRNA를 반복적으로 투여해야 하는 만성 질환 치료 영역으로도 임상 시험 범위를 확장하는 시나리오가 현실화될 수 있습니다.