배경

혈우병과 같은 유전 질환 치료를 위한 아데노부속바이러스(AAV) 기반 유전자 치료제 개발이 활발히 진행되고 있다. 그러나 전임상 단계에서 일반적으로 사용되는 동물 모델은 인간과 수용체 분포 및 면역 체계가 다르기 때문에 실제 인체 반응을 완전히 반영하지 못한다. 동물 실험에서 높은 안전성 지표가 임상에서 일관되게 나타나지 않는 이유이다. 이러한 문제를 해결하기 위해 인간 간 조직을 3차원으로 모사한 기술이 등장했다. 간세포, 내피세포, 성상세포, 쿠퍼세포를 장기와 유사한 비율로 배치한 인간 간 조직 모사체(hLTE)는 실제 간의 생리 활성을 정밀하게 반영한다. 따라서 치료 벡터의 안전성을 인간 수준에서 정확하게 평가할 수 있어 새로운 약물 스크리닝 플랫폼으로 부상하고 있다.

핵심 발견

미국 웨이크포레스트 재생의학연구소(WFIRM) 연구진은 hLTE를 사용하여 유전자 치료제에 사용되는 두 가지 AAV 혈청형인 AAV5와 AAV3b의 전달 효율, 세포 선택성 및 독성을 정밀하게 비교했다. 거대세포바이러스(CMV) 프로모터 하에 강화녹색형광단백질(eGFP)을 발현하는 바이러스를 설계하여 hLTE에 주입했다. 그 결과 AAV5가 AAV3b보다 더 높은 발현율을 보였다.

세포 종류별 감염 현황 분석에서는 다른 결과가 나타났다. 두 혈청형 모두 목표 세포인 간세포나 쿠퍼세포보다 내피세포와 성상세포를 더 효율적으로 감염시켰다. 즉, 치료 유전자가 원치 않는 세포에 전달되어 부작용을 일으킬 가능성이 입증되었다. 실제로 AAV를 주입한 hLTE 배지에서는 간 기능 지표 물질의 수치 변화와 함께 간 독성 및 염증 관련 유전자의 발현 변화가 관찰되었다. 세포 내 전사체 변화 양상은 혈청형, 프로모터 및 유전자의 종류에 따라 모두 달랐다.

또한 연구진은 인산글리세르산인산화효소(PGK) 프로모터에 유전자 재조합 8인자(FVIII) 유전자(lcoET3)를 결합하여 세포 내 신호 전달 경로의 변화를 정밀하게 추적했다. 탑재된 유전자 종류에 따라 발현되는 분자 생리학적 경로가 달라짐을 확인했다.

무엇보다 유전독성 평가 결과가 주목할 만하다. 바이러스 게놈 삽입 분석 결과, 암 발생 유전자 근처에 바이러스 DNA가 삽입된 현상이 다수 확인되었다. 또한 미토콘드리아 DNA(mtDNA) 내부에서도 상당한 수준의 삽입 흔적이 발견되었다. AAV 벡터가 핵 유전체뿐만 아니라 세포 호흡을 담당하는 미토콘드리아 게놈까지 침투하여 세포 건강을 위협할 수 있다는 것을 의미한다.

의미와 전망

이번 결과는 유전자 치료제 전임상 스크리닝에서 인간 간 조직 모사 플랫폼이 수행할 역할을 명확하게 보여준다. 기존 동물 모델이 보여주지 못했던 세포 특이적 감염 성향과 미토콘드리아 DNA 삽입과 같은 유전독성 신호를 실제 인간 조직 환경에서 정확하게 규명했다. 임상 시험 진입 전에 발생 가능한 부작용을 예방하는 안전 장치가 될 것으로 예상된다.

그러나 실험실 단위의 모사체 연구라는 특성상 전신 생리 작용을 완벽하게 모사하기는 어렵다. 목표 대상이 아닌 성상세포나 내피세포의 감염률이 더 높다는 점은 해결해야 할 과제로 지적되었다. 벡터가 원치 않는 세포로 침투하는 오프타겟 반응을 줄이고, 간세포만 선택적으로 공략할 수 있도록 바이러스 껍데기인 캡시드를 개량하는 추가 연구가 대안으로 제시되었다.

프로모터와 외래 유전자의 결합이 유전자 전달을 넘어 숙주 세포의 신호 경로까지 뒤흔들 수 있다는 분석 또한 향후 신약 설계 지침에 상당한 영향을 미칠 것으로 보인다.